Mecnica Quntica e Termodinmica podem ser verdadeiras, dizem fsicos

Energia

Com informações da Physics World – 03/08/2023

A seta do tempo: Fsicos exploraram a relao entre a termodinmica (representada pela taa se quebrando) e a mecnica quntica, usando para isso um processador quntico fotnico.
[Imagem: Florian Sterl/Sterltech Optics]

Incompatibilidade entre termodinmica e mecnica quntica

Fsicos das universidades de Twente (Pases Baixos) e Livre de Berlim (Alemanha) demonstraram que as teorias da termodinmica e da mecnica quntica so formas vlidas de descrever o comportamento dos ftons em um processador quntico.

A termodinmica e a mecnica quntica so pilares da fsica moderna, mas, de uma forma especfica e importante, elas no se do bem.

O ponto de discrdia gira em torno da Segunda Lei da Termodinmica, que afirma que um sistema fechado se mover em direo entropia mxima (uma medida da desordem do sistema, ou caos) de maneira irreversvel.

A teoria da mecnica quntica, por sua vez, permite que os estados anteriores das partculas sejam calculados de volta, o que significa que o fluxo de informao e o tempo so reversveis – por isso que os fsicos qunticos dizem que “no existe uma segunda lei da termodinmica quntica“.

Nos ltimos anos, houve vrias tentativas de compreender melhor esse conflito usando o entrelaamento entre tomos ultrafrios ou entre qubits supercondutores. Ao observar o que acontece quando esses sistemas se termalizam e se equilibram, deve ser possvel medir sua entropia e seus estados qunticos ao mesmo tempo e, assim, resolver o paradoxo.

O problema que os sistemas qunticos so muito sensveis s interaes com seu ambiente, dificultando a criao de um sistema verdadeiramente fechado para fazer os experimentos. Eles tambm so propensos a perder sua natureza quntica, um processo conhecido como decoerncia, que dificulta a implementao da reverso do tempo.

Esquema e foto do experimento.
[Imagem: Somhorst et al. – 10.1038/s41467-023-38413-9]

Fazendo o tempo andar para trs

Para contornar essas dificuldades, Frank Somhorst e seus colegas optaram por estudar a termalizao e o equilbrio em sistemas de ftons entrelaados. Os ftons tm vrias vantagens sobre os sistemas compostos por tomos ou qubits: Sua natureza intrinsecamente quntica significa que eles no sofrem de decoerncia, podem ser estudados temperatura ambiente e so fceis de manipular.

Mais importante ainda, os ftons permitem a reversibilidade do tempo: Qualquer mistura dos ftons pode ser revertida realizando a operao inversa, o que significa que os ftons entrelaados podem, de fato, ser “desembaraados”.

O experimento comea injetando ftons individuais em guias de onda em um chip. Esses ftons interferem entre si onde os canais fotnicos no chip se cruzam. E essa interferncia, que a equipe controlou com interfermetros termo-pticos, cria uma superposio de ftons nos guias de onda, gerando o entrelaamento. A jusante, os ftons so detectados com detectores de fton nico.

Para determinar os aumentos locais e totais de entropia do sistema, os pesquisadores realizaram uma srie de protocolos – a reversibilidade do tempo, por exemplo, foi implementada desemaranhando os ftons, o que foi possvel devido ao controle total que o processador d sobre o experimento.

As duas teorias foram vlidas simultaneamente, uma em escala local, e outra em escala global.
[Imagem: Somhorst et al. – 10.1038/s41467-023-38413-9]

Duas teorias vlidas

Os resultados mostraram que os nmeros de ftons no podiam mais ser definidos com preciso porque eles estavam em um estado entrelaado, logo, no mais localizados individualmente em um nico canal do guia de ondas, como estavam na entrada.

Alm disso, o entrelaamento entre os ftons no visvel nos canais individuais: Somente ao considerar o sistema inteiro fica claro que o estado quntico geral est em uma forma pura, consistente com a mecnica quntica.

No entanto, as estatsticas dos ftons em cada canal mostraram que a entropia aumentou localmente em todos os canais, de acordo com a Segunda Lei da Termodinmica.

Como verificao final, os fsicos realizaram operaes para retornar o processador ao seu estado original, ou seja, implementaram uma reverso do tempo. Essas operaes tiveram sucesso, provando que os processos de termalizao e equilbrio foram devidos ao entrelaamento entre as partculas qunticas, ao invs de se dever a interaes com o meio ambiente.

Portanto, o experimento mostrou que a termodinmica e a mecnica quntica podem ser verdadeiras ao mesmo tempo.

Outras notcias sobre: