Las computadoras cuánticas requieren mediciones de tiempo precisas para manipular los estados cuánticos, pero una nueva investigación revela una limitación fundamental: los relojes no pueden alcanzar una resolución y precisión perfectas al mismo tiempo debido a su limitada generación de energía y entropía. Esto crea limitaciones inherentes a las capacidades de la computación cuántica. A medida que se desarrolle la tecnología cuántica, superar estos desafíos de la medición del tiempo será fundamental y puede conducir a nuevos descubrimientos en mecánica cuántica.
La computación cuántica es cada vez más fácil de utilizar para realizar cálculos. Sin embargo, las investigaciones muestran que la computación cuántica tiene limitaciones inherentes, particularmente relacionadas con la calidad de los relojes utilizados.
La gente tiene ideas diferentes sobre cómo construir una computadora cuántica. Pero todos tienen una cosa en común: tomar un sistema físico cuántico -como un solo átomo- y someterlo a fuerzas muy específicas durante un período de tiempo específico, cambiando así su estado. Sin embargo, esto significa que para poder confiar en las operaciones de computación cuántica para proporcionar resultados correctos, se necesita un reloj que sea lo más preciso posible.
Pero aquí está el problema: la medición perfecta del tiempo es imposible. Todo reloj tiene dos características básicas: una cierta precisión y una determinada resolución temporal. La resolución temporal representa qué tan pequeño es un intervalo de tiempo mensurable, es decir, qué tan rápido avanza un reloj. La precisión indica el error de cada escala.
El equipo pudo demostrar que, dado que ningún reloj tiene una cantidad infinita de energía disponible (o produce una cantidad infinita de entropía), nunca puede tener una resolución perfecta y una precisión perfecta al mismo tiempo. Esto limita fundamentalmente las posibilidades de los ordenadores cuánticos.
En nuestro mundo clásico, las operaciones aritméticas perfectas no son un problema. Por ejemplo, puedes usar un ábaco enhebrando cuentas de madera en un palo y empujándolas hacia adelante y hacia atrás. Las cuentas de madera tienen un estado bien definido. Cada cuenta de madera está en una posición muy específica. Si no haces nada, las cuentas de madera permanecerán en su posición original.
Si mueves las cuentas de madera rápida o lentamente no afectará los resultados. Pero en física cuántica la situación es mucho más complicada.
"Matemáticamente hablando, cambiar el estado cuántico en una computadora cuántica equivale a girar en una dimensión superior. Para alcanzar finalmente el estado deseado, la rotación debe durar un período de tiempo muy específico. De lo contrario, el estado se acortará o se alejará demasiado".
Entropía: el tiempo hace que todo sea más caótico
Markus Huber y su equipo investigaron qué leyes deben aplicarse siempre a cualquier reloj imaginable. Explica: "La medición del tiempo siempre está relacionada con la entropía. En todo sistema físico cerrado, la entropía aumenta y se vuelve cada vez más desordenada. Es este desarrollo el que determina la dirección del tiempo: el futuro es un lugar de mayor entropía, y el pasado es un lugar de menor entropía".
Como se muestra en la figura, cada medición del tiempo va inevitablemente acompañada de un aumento de la entropía: por ejemplo, un reloj necesita una batería, y la energía de la batería es eventualmente convertida por el mecanismo del reloj en calor por fricción y sonido de tictac; en el proceso, un estado bastante ordenado de la batería se transforma en un estado bastante desordenado de radiación térmica y sonido.
Basándose en esto, el equipo creó un modelo matemático al que prácticamente todo reloj imaginable debe cumplir. Florian Meier, autor principal del segundo artículo, dijo: "A un cierto aumento de la entropía, existe un equilibrio entre la resolución del tiempo y la precisión. Esto significa: el reloj funciona rápidamente o funciona con precisión; es imposible hacer ambas cosas al mismo tiempo".
Los límites de las computadoras cuánticas
Esta comprensión crea un límite natural para las computadoras cuánticas: la resolución y precisión que un reloj puede alcanzar limita la velocidad y confiabilidad que una computadora cuántica puede alcanzar. "Esto todavía no es un problema", afirma Markus Huber. "La precisión de los ordenadores cuánticos todavía está limitada por otros factores, como la precisión de los componentes utilizados o el campo electromagnético. Pero nuestros cálculos también muestran que hoy no estamos lejos de un mecanismo en el que los límites fundamentales de la medición del tiempo desempeñan un papel decisivo".
Por lo tanto, si se mejora aún más la tecnología de procesamiento de información cuántica, las personas inevitablemente se enfrentarán al problema de una medición del tiempo no óptima. Pero quién sabe: tal vez esta sea una forma interesante de entender el mundo cuántico.