Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

La introducción de la máquina de vapor a finales durante el siglo XVIII llevó a la revolución industrial del siglo XIX. La comprensión teórica de estas máquinas, lo que hoy conocemos como termodinámica, no solo favoreció un aumento considerable de la eficiencia de las mismas sino que también abrió un nuevo mundo para la física que desembocaría en la mecánica cuántica.

Hoy día la revolución parece que muy probablemente venga del nanomundo, de nanomecanismos y nanomáquinas, por lo que la comprensión teórica de los mismos es básica. Ahora un grupo de investigadores ha dado un paso más allá simplificando para estos dispositivos la forma en que se determina una variable termodinámica fundamental, el trabajo, empleando tan solo una medición, simplificando significativamente el concepto.

En los nanomecanismos, incluidos nano-refrigeradores, dominan los efectos cuánticos. Las fluctuaciones pueden ser tan grandes en estos sistemas que el concepto de equlibrio térmico no aplica de forma estricta. Como consecuencia las propiedades termodinámicas básicas, como la entropía y la energía libre, requieren de nuevas formulaciones que se basen en el trabajo necesario para llevar al sistema de un estado a otro.

El trabajo termodinámico en su forma más simple, tal y como se estudia en secundaria, es el resultado de multiplicar la fuerza aplicada por la distancia recorrrida siguiendo una determinada trayectoria. Intuitivamente, una persona empujando un coche durante 100 metros realiza la mitad de trabajo que si lo mueve 200, o mucho menos que si lo que empuja es un camión en esos mismos 100 metros.

Sin embargo esta definición no aplica en mecánica cuántica ya que los objetos cuánticos no siguen trayectorias, puesto que no todas las energías que podría tener el objeto duante una trayectoria hipotética están permitidas; los objetos cuánticos saltan entre estados, sin pasar por estados intermedios. Por esto el trabajo cuántico se define como una diferencia de energía, lo que requiere dos mediciones separadas. Augusto Roncaglia, de la Universidad de Buenos Aires (R. Argentina), y sus colaboradores han ideado una forma de cuantificar el trabajo cuántico con una sola medición. El truco consiste en introducir un segundo sistema que actúa como un “reloj de fichar”, que lleva la cuenta del trabajo realizado en el sistema original.

Como apuntábamos, el trabajo cuántico requiere medir la diferencia entre las energías de los estados inicial y final del sistema, con lo que se destruye cualquier coherencia que pudiese existir en el estado inicial. La estrategia de Roncaglia y su equipo es entrelazar el sistema objeto de estudio con un segundo sistema auxiliar que es el que se mide. Los investigadores demuestran teóricamente que esta secuencia de operaciones podría llevarse a cabo en un haz de átomos o con qubits.

Esta nueva idea, tan aparentemente simple, puede contribuir significativamente a una mejor comprensión de la termodinámica de los sistemas cuánticos en general y de los nanodispositivos en particular, aparte de contribuir al estudio de la coherencia en este tipo de sistemas y del papel que juega en su comportamiento. Un paso más hacia la nano-revolución.

Referencia:

Roncaglia A.J., Federico Cerisola & Juan Pablo Paz (2014). Work Measurement as a Generalized Quantum Measurement, Physical Review Letters, 113 (25) DOI: 10.1103/physrevlett.113.250601

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance