El calor fluye de lo caliente a lo frío, una regla tan fiable que está consagrada en la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, en un experimento publicado en Physical Review Letters, los investigadores lograron que el calor fluyera en sentido contrario, de un sistema frío a otro más caliente, extrayendo al mismo tiempo trabajo de la máquina. El dispositivo responsable de esta aparente violación es un conmutador cuántico, un circuito que ejecuta sus operaciones en una superposición de dos órdenes distintos, y el truco solo funciona porque un demonio de Maxwell moderno lleva la contabilidad.
El demonio es la clave de que la segunda ley siga intacta. Desde el siglo XIX los físicos saben que un guardián suficientemente astuto podría, en principio, separar las moléculas rápidas de las lentas y empujar el calor contra su dirección natural. Lo que mantiene al demonio de Maxwell en consonancia con la termodinámica es que el demonio debe recordar qué moléculas dejó pasar, y borrar esa memoria cuesta energía. En el nuevo experimento, fruto de una colaboración dirigida por Zhong-Xiao Man, de la Universidad Normal de Qufu, Rosario Lo Franco, de la Universidad de Palermo, y Giulio Chiribella, de la Universidad de Hong Kong, la memoria del demonio es una parte explícita de la máquina: un qubit de control cuyo reinicio en cada ciclo es el precio que paga el calor por subir cuesta arriba.
Una superposición de órdenes
El experimento explota el orden causal indefinido, un recurso exclusivo de la mecánica cuántica. En un conmutador cuántico, un qubit de control en superposición de 0 y 1 determina si el proceso A se ejecuta antes que el B o el B antes que el A, de modo que los dos órdenes coexisten. En la implementación fotónica, los fotones de una fuente de conversión descendente viajan a través de un interferómetro plegado de unos 1,8 metros (5,9 pies) de longitud; la polarización del fotón hace las veces de qubit del sistema y su trayectoria, de control. Dos canales idénticos de termalización, construidos cada uno con láminas de onda y divisores de haz, actúan sobre el sistema en ambos órdenes a la vez.
El sistema comienza a la temperatura T_S y los canales actúan a la temperatura T_E. Para un sistema más caliente que los canales, el resultado esperado es el enfriamiento: el calor debería salir. En cambio, cuando el qubit de control se mide en la base de superposición adecuada, la energía media del sistema aumenta, lo que significa que el calor fluyó de los canales más fríos hacia el sistema más caliente. El efecto aparece en una ventana en la que la temperatura de los canales supera la mitad de la temperatura del sistema; en el caso inverso, cuando los canales están más calientes, aparece un enfriamiento anómalo cuando el cociente de temperaturas se mantiene por debajo de aproximadamente 1,45. En el caso extremo de dos sistemas a exactamente la misma temperatura, el conmutador puede llevar el sistema a una temperatura efectiva infinita, de modo que el calor fluye entre sistemas en perfecto equilibrio térmico.
De dónde sale el trabajo
La misma configuración funciona como un motor cuántico de Otto, un ciclo de motor térmico de cuatro tiempos. En la rama anómala, la máquina absorbe calor del reservorio frío y lo libera al caliente, la firma de un refrigerador, mientras produce simultáneamente trabajo neto. Clásicamente, esa combinación es imposible: un refrigerador exige un aporte de trabajo, y un motor que además refrigerara sería una máquina de movimiento perpetuo.
La solución es que el motor se alimenta del borrado de la memoria del demonio. El ciclo solo avanza cuando el qubit de control se encuentra en un resultado particular, y cada ciclo exitoso debe ir seguido del reinicio del control, una operación que cuesta un trabajo proporcional a la información descartada. Los investigadores incluyen el coste del borrado en el coeficiente de eficiencia del motor, donde desempeña el papel del enchufe en un refrigerador convencional. Si no se mide, los flujos anómalos se cancelan: si se promedian los dos resultados del control, la transferencia de calor vuelve a su valor clásico, obediente de la segunda ley.
Los autores señalan además una sutileza adicional: el mismo flujo de calor anómalo puede reproducirse con orden causal definido, mediante un circuito de intercambios controlados que nunca superpone el orden de los sucesos. El efecto no es, por tanto, un testigo exclusivo del orden causal indefinido. Lo que la superposición aporta es una vía compacta y práctica desde el punto de vista experimental: el conmutador fotónico implementa al demonio en un solo interferómetro, mientras que una simulación con orden causal definido exigiría operaciones controladas más elaboradas.
Una prueba de principio, con salvedades
Las temperaturas del experimento son temperaturas efectivas de estados de polarización de fotones individuales, no temperaturas de objetos macroscópicos, y los flujos de calor se miden como cambios en la energía media del qubit del sistema condicionados a la medición del control. Los canales de termalización se simulan ópticamente, y el resultado final se ensambla a partir de dieciséis experimentos independientes con tomografía de procesos cuánticos, con fidelidades de canal superiores al 99 por ciento. Es una prueba de principio en un laboratorio óptico, no una máquina que enfriará tu café.
Lo que el resultado establece es que la dirección del flujo de calor en un proceso cuántico no queda fijada solo por las temperaturas, y que los libros de la segunda ley pueden cuadrarse contabilizando explícitamente la información del sistema de control. Resulta que la memoria del demonio es donde aterriza la factura. El hallazgo se suma a un creciente corpus de trabajos que conectan la información cuántica con la termodinámica, en los que la estructura causal, la coherencia y la medición no son efectos secundarios, sino recursos por derecho propio. Es probable que el trabajo futuro explore si el flujo de calor anómalo puede convertirse en una ventaja práctica en las máquinas térmicas cuánticas, y cómo escala el coste del borrado a medida que crece el conmutador.
Traducido por Alessandra
Fuentes
1. Qing-Feng Xue, Qi Zhang, Xu-Cai Zhuang, Yun-Jie Xia, Enrico Russo, Giulio Chiribella, Rosario Lo Franco, and Zhong-Xiao Man, “Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order,” Physical Review Letters 137, 030404 (2026). DOI: 10.1103/sx1m-pdhz. Preprint: arXiv:2511.04028.
2. Chaitanya Gupta, “Quantum principle allows heat to flow from cold to hot,” Physics World, August 10, 2026. https://physicsworld.com/a/quantum-principle-allows-heat-to-flow-from-cold-to-hot/
3. Ingrid Fadelli, “A quantum heat engine that simultaneously provides work and refrigeration,” Phys.org, July 26, 2026. https://phys.org/news/2026-07-quantum-simultaneously-refrigeration.html
4. Interesting Engineering, “New quantum heat engine produces work and refrigeration at same time.” https://interestingengineering.com/science/unusual-quantum-effect-heat-engine
5. Quantum Zeitgeist, “Quantum Otto cycle with indefinite causal order achieves anomalous heat,” November 11, 2025. https://quantumzeitgeist.com/quantum-otto-cycle-indefinite-causal-order-achieves-anomalous-heat/