Por primera vez, los físicos han hecho que la luz parezca moverse simultáneamente hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. La nueva técnica podría ayudar a los científicos a mejorar la computación cuántica y comprender la gravedad cuántica.

Al dividir un fotón, o paquete de luz, utilizando un cristal óptico especial, dos equipos independientes de físicos lograron lo que describen como un «cambio de tiempo cuántico», en el que un fotón existe en estados de tiempo tanto hacia adelante como hacia atrás.

El efecto resulta de la convergencia de dos extraños principios de la mecánica cuántica , las reglas contrarias a la intuición que gobiernan el comportamiento de lo muy pequeño. El primer principio, la superposición cuántica, permite que partículas minúsculas existan en muchos estados diferentes, o diferentes versiones de sí mismas, a la vez, hasta que se observan. La segunda, simetría de carga, paridad e inversión del tiempo (CPT), establece que cualquier sistema que contenga partículas obedecerá las mismas leyes físicas incluso si las cargas, las coordenadas espaciales y los movimientos a través del tiempo de las partículas se invierten como si fueran a través de un espejo.

Al combinar estos dos principios, los físicos produjeron un fotón que parecía viajar simultáneamente a lo largo y en contra de la flecha del tiempo. Publicaron los resultados de sus experimentos gemelos el 31 de octubre y el 2 de noviembre en el servidor de preimpresión arXiv, lo que significa que los hallazgos aún no han sido revisados ​​por pares.

«El concepto de la flecha del tiempo está dando una palabra a la aparente unidireccionalidad del tiempo que observamos en el mundo macroscópico que habitamos», dijo Teodor Strömberg , físico de la Universidad de Viena y primer autor de uno de los artículos. Ciencia Viva. «Esto en realidad está en tensión con muchas de las leyes fundamentales de la física, que en general son simétricas en el tiempo y que, por lo tanto, no tienen una dirección de tiempo preferida».

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema, un análogo aproximado de su desorden, debe aumentar. Conocida como la «flecha del tiempo», la entropía es una de las pocas cantidades en física que establece el tiempo para ir en una dirección particular.

Esta tendencia a que crezca el desorden en el universo explica por qué es más fácil mezclar ingredientes que separarlos. También es a través de este creciente desorden que la entropía se une tan íntimamente a nuestro sentido del tiempo. Una escena famosa en la novela de Kurt Vonnegut «Slaughterhouse-Five» demuestra cómo la entropía hace que una dirección del tiempo se vea diferente a la otra al jugar la Segunda Guerra Mundial al revés: las balas son succionadas de hombres heridos; los fuegos se encogen, se agrupan en bombas, se apilan en filas ordenadas y se separan en minerales compuestos; y la flecha invertida del tiempo deshace el desorden y la devastación de la guerra.

Sin embargo, como la entropía es principalmente un concepto estadístico, no se aplica a partículas subatómicas individuales. De hecho, en cada interacción de partículas que los científicos han observado hasta ahora, incluidas las hasta mil millones de interacciones por segundo que tienen lugar dentro del mayor colisionador de átomos del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, se mantiene la simetría CPT. Así que las partículas que parecen avanzar en el tiempo son indistinguibles de aquellas en un sistema reflejado de antipartículas que retroceden en el tiempo. (La antimateria se creó con materia durante el Big Bang y en realidad no retrocede en el tiempo; simplemente se comporta como si siguiera una flecha de tiempo opuesta a la materia normal).

El otro factor en juego en los nuevos experimentos es la superposición. La demostración más famosa de la superposición cuántica es el gato de Schrödinger, un experimento mental en el que se coloca un gato dentro de una caja sellada con un vial de veneno cuya liberación se desencadena por la desintegración radiactiva de una partícula alfa. La desintegración radiactiva es un proceso mecánico cuántico que ocurre al azar, por lo que inicialmente es imposible saber qué le sucedió al gato, que se encuentra en una superposición de estados, vivo y muerto a la vez, hasta que se abre la caja y se observa el resultado.

Esta superposición de estados permite que una partícula exista en los estados de tiempo hacia adelante y hacia atrás al mismo tiempo, pero presenciar esta hazaña experimentalmente es complicado. Para lograrlo, ambos equipos idearon experimentos similares para dividir un fotón a lo largo de una superposición de dos caminos separados a través de un cristal. El fotón superpuesto se movió en un camino normal a través del cristal, pero se configuró otro camino para cambiar la polarización del fotón, o dónde apunta en el espacio, para moverse como si viajara hacia atrás en el tiempo.

Después de recombinar los fotones superpuestos enviándolos a través de otro cristal, el equipo midió la polarización de los fotones en una serie de experimentos repetidos. Encontraron un patrón de interferencia cuántica, un patrón de franjas claras y oscuras que solo podría existir si el fotón se hubiera dividido y se moviera en ambas direcciones del tiempo.

«La superposición de procesos que observamos es más parecida a un objeto que gira en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario al mismo tiempo», dijo Strömberg. se puede combinar con puertas lógicas reversibles para permitir el cálculo simultáneo en cualquier dirección, abriendo así el camino para los procesadores cuánticos con una potencia de procesamiento muy mejorada.

De la obra también brotan posibilidades teóricas. Una futura teoría de la gravedad cuántica, que uniría la relatividad general y la mecánica cuántica, debería incluir partículas de orientaciones temporales mixtas como la de este experimento, y podría permitir a los investigadores observar algunos de los fenómenos más misteriosos del universo.

«Una buena manera de decirlo es decir que nuestro experimento es una simulación de escenarios exóticos donde un fotón puede evolucionar hacia adelante y hacia atrás en el tiempo», dijo Giulio Chiribella , físico de la Universidad de Oxford y autor principal del otro artículo. , dijo a WordsSideKick.com. «Lo que hacemos es análogo a algunos experimentos que simulan física exótica, como la física de los agujeros negros o el viaje en el tiempo».

https://www.livescience.com/quantum-time-flipped-photon-first-time