Un experimento cuántico altera la flecha del tiempo con una precisión increíble

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Cómo revertir procesos cuánticos desconocidos. 

Un equipo de físicos en Viena logró lo que hasta hace poco sonaba como ciencia ficción: retroceder el estado de un solo fotón con una precisión superior al 95 %. En otras palabras, lograron que un sistema cuántico “viajara al pasado” hasta un momento anterior, sin revelar lo que ocurrió en el trayecto. Y todo dentro de un laboratorio común, no en una película futurista.

El experimento fue dirigido por Philip Walther, de la Universidad de Viena, experto en óptica cuántica y procesamiento de información. Su grupo utilizó la luz como campo de prueba, centrando la investigación en el sistema más pequeño posible que aún puede portar información: un qubit, la unidad fundamental de la computación cuántica, capaz de existir en varios estados al mismo tiempo, más allá del clásico 0 o 1.

Pero retroceder el tiempo cuántico no significa mover las manecillas del reloj ni revertir el tiempo físico en sí. Lo que hicieron fue restaurar el estado interno de una partícula a una configuración anterior en su evolución, sin observarla directamente, algo clave en física cuántica, ya que cualquier medición altera el sistema.

Para lograrlo, emplearon un dispositivo conocido como quantum switch, que permite que dos operaciones ocurran en un orden superpuesto. Esa dependencia del orden es la base de la ventaja cuántica: los físicos escogieron operaciones que no se conmutan entre sí, de modo que la interferencia generada cancela la evolución hacia adelante durante un intervalo elegido. En términos matemáticos, el truco está en el conmutador, que mide cuánto dos operaciones dejan de ser intercambiables. Cuando ese valor es distinto de cero, puede aprovecharse para invertir un cambio previo.

(a) En el mundo clásico, el tiempo tiene una direccionalidad inequívoca, ilustrada aquí a través del proceso de envejecimiento, un proceso que, a pesar de su naturaleza determinista, no puede revertirse en la práctica. En este artículo, demostramos que estas mismas limitaciones no se aplican en el ámbito cuántico. (b) La unidad de la mecánica cuántica garantiza que siempre existe una inversa de una evolución temporal dada ?, aunque sea desconocida. (c) Al permitir que un sistema cuántico objetivo pase por una región de interacción, se puede realizar una evolución temporal perturbada ?. (d) Un interruptor cuántico hace que el sistema objetivo evolucione en una superposición de su evolución libre ? y su evolución perturbada ?. Esta superposición de evoluciones temporales se puede utilizar para «rebobinar» el sistema hacia atrás en el tiempo, sin necesidad de conocer ?, ? o el estado | Ψ ⟩. Crédito: Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.469109

Todo el proceso se apoya en operaciones unitarias —reversibles y que conservan la probabilidad total—, lo que evita que los errores se acumulen. De hecho, la sensibilidad al orden es lo que el switch explota para “rebobinar” el estado cuántico.

“Fue uno de los experimentos más complejos que hemos construido para un solo fotón”, explicó Walther. La configuración requiere una sincronización y alineación óptica extremadamente precisas para mantener el estado frágil del fotón estable el tiempo suficiente.

En la escala macroscópica, el tiempo parece avanzar siempre hacia adelante debido al aumento del desorden, lo que define su flecha aparente. Sin embargo, en sistemas cuánticos individuales esa tendencia puede relajarse, haciendo posible que el proceso se revierta. Aunque no se violan las leyes de la energía ni de la información, el control total sobre las variables permite ejecutar la dinámica inversa sin alterar los detalles ocultos del sistema.

Curiosamente, la misma teoría que permite “rebobinar” el tiempo también posibilita acelerarlo. Si se controlan varios sistemas idénticos, se puede transferir el avance temporal de unos a otros. Por ejemplo, si nueve sistemas permanecen estáticos, el décimo puede evolucionar nueve veces más rápido, como si compartieran el tiempo disponible. No se crea tiempo de la nada, solo se redistribuye.

En el laboratorio, los fotones fueron guiados a través de bucles de fibra óptica y dispositivos interferométricos, controlados por interruptores electro-ópticos que aseguraban que cada partícula siguiera su camino sin distorsionar su estado. La información viajaba en la polarización del fotón, y mediante placas de onda ajustadas con precisión, los investigadores diseñaron las operaciones necesarias para combinar, cancelar y revertir los efectos.

El interferómetro fue clave: al recombinar las trayectorias, las intensidades podían sumarse o anularse, lo que permitió eliminar la evolución no deseada. Los resultados fueron evaluados con fidelidad cuántica, una medida que compara cuán parecidos son dos estados. Los valores altos demostraron que el protocolo es consistente y repetible, no un golpe de suerte.

Este tipo de control tiene un enorme potencial práctico. Permitiría diagnosticar o corregir errores en procesadores cuánticos, revertir rotaciones indeseadas en qubits y mejorar la estabilidad de memorias cuánticas. Además, el proceso ocurre en tiempo real: rebobinar cinco minutos toma aproximadamente ese mismo tiempo en el laboratorio.

El protocolo también encaja con técnicas de corrección de errores. Si una inversión falla, puede repetirse sin necesidad de reiniciar todo el sistema, y los intentos encadenados pueden elevar la tasa de éxito hasta casi el 100 %. Su comportamiento predecible, junto con el control temporal preciso, lo convierte en una herramienta práctica para la ingeniería cuántica moderna.

Eso sí, no esperes ver humanos retrocediendo en el tiempo: el método no puede escalar a sistemas complejos con tanta información. Pero sí podría aplicarse a otras plataformas coherentes con control estable, como los circuitos superconductores o los iones atrapados. Los próximos pasos apuntan a integrar la técnica en chips fotónicos más estables, con vistas a desarrollar corrección de errores activa y explorar la reversión en sistemas de mayor dimensión.

El estudio, publicado en la revista Optica, no solo demuestra que el tiempo puede “doblarse” en el mundo cuántico, sino que también abre la puerta a una nueva era de control sobre la información más fundamental del universo.

Fuentes, créditos y referencias:

P. Schiansky et al, Demonstration of universal time-reversal for qubit processes, Optica (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.469109