Cómo los científicos lograron 'invertir' el tiempo en el laboratorio

"Espejos de tiempo" diseñados para ondas electromagnéticas

Investigadores del CUNY ASRC informaron sobre una demostración experimental de lo que los físicos llaman una reflexión temporal, o un "espejo de tiempo", para ondas electromagnéticas. En la vida cotidiana, un espejo invierte las coordenadas espaciales: un pulso de luz choca contra un espejo y la parte delantera del pulso rebota primero. Un espejo de tiempo hace algo distinto y contraintuitivo: invierte la dirección temporal de una parte de una onda, de modo que el final de la forma de onda se envía hacia atrás en el tiempo en relación con el resto.

Ese comportamiento requiere la creación de un cambio repentino y uniforme en el medio que transporta la onda a través de todo el campo: una frontera temporal. En la práctica, producir un cambio tan uniforme y extremadamente rápido en un volumen extendido es costoso energéticamente y técnicamente difícil. El equipo de CUNY evitó intentar cambiar el material de base por completo. En su lugar, construyeron una tira de metamaterial: una línea de transmisión metálica poblada con interruptores electrónicos rápidos y capacitores de reserva. Cuando los interruptores se activan simultáneamente, la impedancia efectiva de la tira se duplica en una fracción de microsegundo, produciendo la interfaz temporal abrupta que genera una copia reflejada en el tiempo de un pulso electromagnético de banda ancha entrante.

Debido a que el componente reflejado se origina en el final de la forma de onda en lugar de en el frente, un pulso óptico reflejado en el tiempo se ve y suena como una grabación invertida; piense en una cinta reproducida al revés. Esa inversión también desplaza el contenido de frecuencia; en sus experimentos, el equipo observó los cambios esperados en la composición espectral y la sincronización. La demostración, publicada en una revista de física revisada por pares y analizada en la reciente cobertura de prensa, convierte una predicción teórica de hace décadas en una realidad diseñada a escala de laboratorio.

Rebobinadores cuánticos: invirtiendo la historia de una partícula

Por otro lado, equipos liderados desde Austria y la University of Vienna han demostrado que, para los sistemas cuánticos, es posible implementar un «rebobinado» universal que devuelve un qubit a un estado anterior sin conocer las operaciones desconocidas que actuaron sobre él. Este es un sentido diferente de "invertir el tiempo": no hay una inversión temporal global de un entorno, sino solo una manipulación controlada del estado cuántico de un sistema diminuto para que regrese a una configuración previa.

Crucialmente, el experimento de rebobinado cuántico no viola la termodinámica ni proporciona una forma de enviar objetos macroscópicos al pasado. Funciona para sistemas cuánticos microscópicos cuidadosamente preparados, y su potencial reside en el control de la información cuántica: la técnica podría convertirse en una herramienta en la caja de gestión de errores para procesadores cuánticos. Si un qubit en una computadora cuántica se corrompe por un proceso desconocido, un protocolo de rebobinado podría, en principio, devolverlo a un estado anterior utilizable sin mediciones destructivas.

Por qué los titulares suenan a viajes en el tiempo y por qué eso es engañoso

Ambos experimentos utilizaron legítimamente la palabra "invertir" y ambos produjo efectos que imitan un pequeño elemento de lo que consideramos una evolución temporal hacia atrás. Pero operan bajo principios y dominios diferentes. El espejo de tiempo de CUNY es un efecto de onda clásica creado por un cambio rápido en los parámetros del material; el rebobinado cuántico austriaco es una manipulación de la información cuántica que aprovecha la superposición y la interferencia. Ninguno crea un bucle causal que permitiría a objetos macroscópicos u observadores conscientes viajar al pasado.

La escala sigue siendo la barrera central. El espejo de tiempo de metamaterial necesita un interruptor espacialmente uniforme y extremadamente rápido a través de todo el campo de la onda, lo que se vuelve progresivamente más costoso a medida que la longitud de onda se acorta o la región crece. Los protocolos de rebobinado cuántico tienen éxito para qubits individuales o pequeños sistemas fotónicos bajo condiciones de laboratorio cuidadosamente aisladas; la decoherencia, el acoplamiento ambiental y la explosión de los grados de libertad hacen que aplicar el mismo truco a sistemas grandes y térmicamente abiertos sea efectivamente imposible con el conocimiento y el hardware actuales.

Beneficios prácticos: comunicaciones y procesadores cuánticos

Ninguno de los resultados es meramente teatro científico. Las reflexiones temporales para ondas electromagnéticas abren nuevas posibilidades para el control de ondas. Los ingenieros que puedan realizar reflexiones temporales parciales podrían diseñar elementos de procesamiento de señales novedosos: formas de limpiar, comprimir o redirigir formas de onda que son fundamentalmente diferentes de los espejos espaciales o los filtros convencionales. Los autores de CUNY y los comentaristas han destacado posibles aplicaciones a largo plazo en comunicaciones inalámbricas, radares y arquitecturas de computación basadas en ondas de baja energía donde el control preciso del flujo espectral es importante.

En el lado cuántico, un botón de rebobinado para qubits aborda un problema de ingeniería concreto: errores en procesadores cuánticos frágiles. La corrección de errores ya es fundamental en las hojas de ruta de la computación cuántica, y un método robusto y de baja sobrecarga para revertir perturbaciones desconocidas reduciría la necesidad de diagnósticos destructivos repetidos y de una gran redundancia. Los investigadores prevén integrar primitivas de rebobinado en las pilas de control cuántico, o adaptar el enfoque a iones atrapados, átomos fríos o circuitos superconductores a medida que el hardware madure.

Qué sigue en el laboratorio

Se espera que ambos campos avancen metódicamente. En cuanto a los metamateriales, los ingenieros explorarán diseños de interruptores más eficientes, una integración más densa y la extensión del efecto a anchos de banda más amplios y frecuencias más altas. Para los rebobinados cuánticos, los equipos probarán los protocolos en diferentes qubits físicos, aumentarán la robustez ante la pérdida y el ruido, e investigarán cómo los pasos de rebobinado se combinan con los códigos convencionales de corrección de errores.

De manera importante para los científicos y el público, estos avances ilustran cómo el lenguaje de "invertir el tiempo" puede ser preciso y no místico. Los experimentos son demostraciones poderosas de control (nuevos diales en sistemas electromagnéticos y cuánticos), no vacíos legales en la contabilidad del universo. Amplían la lista de técnicas que los investigadores pueden usar para domar ondas y qubits, y es probable que siembren avances prácticos incluso mientras la perspectiva de los viajes en el tiempo macroscópicos permanezca sólidamente en la ciencia ficción.

Fuentes

• Nature Physics (artículo y materiales relacionados sobre reflexiones temporales / experimento de metamateriales de CUNY ASRC)
• Optica (artículo de investigación sobre el protocolo de rebobinado cuántico universal)
• CUNY Advanced Science Research Center (equipo de investigación y materiales de prensa)
• Academia Austríaca de Ciencias / University of Vienna (experimentos de interruptores cuánticos y materiales de prensa)