Científicos de la UGR hacen un descubrimiento clave para la termodinámica cuántica

Investigadores del Grupo de Termodinámica y Computación Cuántica de la Universidad de Granada (UGR) han participado en el descubrimiento de que los sistemas cuánticos se calientan más rápido de lo que se enfrían, en un ejercicio de asimetría en los procesos de relajación térmica que desafía la intuición. También tiene "implicaciones directas para el diseño de algoritmos cuánticos, motores térmicos y dispositivos de control de energía a escala microscópica", según ha informado la UGR tras la publicación del estudio en la revista científica 'Physical Review Research'.

Se trata de "un descubrimiento clave en el campo emergente de la termodinámica cuántica" y se produce en el marco del estudio realizado por el investigador predoctoral de la UGR Álvaro Tejero, junto a los profesores Antonio Lasanta (de la Facultad de Educación, Economía y Tecnología de Ceuta) y Daniel Manzano, así como Rafael Sánchez, de la Universidad Autónoma de Madrid. El equipo ha analizado varios modelos fundamentales -como un sistema de dos niveles, un oscilador armónico cuántico y una partícula browniana cuántica- para mostrar que, "incluso bajo condiciones controladas y simétricas, el proceso de calentamiento ocurre sistemáticamente a mayor velocidad que el de enfriamiento".

En la física clásica, esta asimetría ya se encontró experimentalmente en estudios anteriores. Esto incluye un trabajo publicado en 'Nature Physics' por científicos de la UGR, incluyendo a Antonio Lasanta, uno de los autores de la última publicación. En el régimen cuántico, donde dominan efectos como la superposición de estados y la coherencia cuántica, las trayectorias térmicas hacia el equilibrio son más complejas y, en muchos casos, irreversibles. "Hay muchos fenómenos en termodinámica cuántica del no-equilibrio que ni conocemos ni entendemos. El caso de la termalización es uno de ellos. Darles una respuesta fundamental es esencial para entender cómo los sistemas cuánticos interactúan con su entorno. Una vez lo logremos, las aplicaciones en tecnologías cuánticas son infinitas", ha subrayado Álvaro Tejero, primer autor de la publicación.

Bases matemáticas

Para analizar estas dinámicas, el equipo utilizó herramientas avanzadas de física teórica, como la descomposición espectral del operador Liouvilliano, que describe cómo evoluciona un sistema cuántico abierto en contacto con su entorno. También aplicaron conceptos de geometría de la información y metrología cuántica, que permiten comparar con precisión las trayectorias seguidas por un sistema al cambiar de temperatura. Gracias a este enfoque, los autores no sólo observaron el fenómeno, sino que lo explicaron y cuantificaron con una base matemática sólida.

Este tipo de estudios pertenece al campo de la termodinámica cuántica, una disciplina en rápida expansión que busca entender cómo se combinan las leyes de la termodinámica con los principios fundamentales de la mecánica cuántica. Además del interés conceptual, los resultados del equipo granadino tienen implicaciones prácticas. En computación cuántica, por ejemplo, es crucial enfriar los 'qubits' a estados de muy baja entropía antes de realizar operaciones. Si el enfriamiento es más lento que el calentamiento, los protocolos deberán ajustarse para compensar esta diferencia. También en el diseño de motores térmicos cuánticos --máquinas que extraen trabajo útil a partir de fluctuaciones térmicas en sistemas cuánticos-- conocer esta asimetría puede ayudar a optimizar la eficiencia energética.