Caros Leitores,
Moscow Institute of Physics and Technology - https://mipt.ru/en/
Crédito: @ tsarcyanide / MIPT
Moscow Institute of Physics and Technology - https://mipt.ru/en/
Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou se
juntaram a colegas dos EUA e da Suíça e devolveram o estado de um computador
quântico uma fração de segundo ao passado. Eles também calcularam a
probabilidade de um elétron no espaço interestelar vazio viajar espontaneamente
de volta ao seu passado recente.
O estudo ( https://arxiv.org/pdf/1712.10057.pdf
) é publicado em relatórios científicos.
"Este
é um de uma série de artigos sobre a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica. ( https://phys.org/tags/second+law+of+thermodynamics/
) Essa lei
está intimamente relacionada com a noção da flecha do tempo que postula a
direção unidirecional do tempo do passado para o futuro", disse o
principal autor do estudo, Gordey Lesovik, que dirige o Laboratório de Física
de Tecnologia da Informação Quântica no MIPT.
"Começamos descrevendo (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.94.052133
) uma chamada máquina de movimento perpétuo local do segundo tipo. Então, em
dezembro, publicamos um artigo que discute a violação da segunda lei por meio
de um dispositivo chamado demônio de Maxwell", disse Lesovik. "O
artigo mais recente aborda o mesmo problema a partir de um terceiro ângulo:
Criamos artificialmente um estado que evolui em uma direção oposta àquela da
flecha termodinâmica do tempo".
O que torna
o futuro diferente do passado
A maioria das leis da física não faz distinção entre o futuro e o
passado. Por exemplo, deixe uma equação descrever a colisão e rebote de
duas bolas de bilhar idênticas. Se um close desse evento for gravado com
uma câmera e reproduzido ao contrário, ele ainda pode ser representado pela
mesma equação. Além disso, não é possível distinguir da gravação se foi
manipulada. Ambas as versões parecem plausíveis. Parece que as bolas
de bilhar desafiam o sentido intuitivo do tempo.
No entanto,
imagine gravar uma bola branca quebrando a pirâmide, as bolas de bilhar se
espalhando em todas as direções. Nesse caso, é fácil distinguir o cenário
da vida real da reprodução reversa. O que faz o último parecer tão absurdo
é a nossa compreensão intuitiva da segunda lei da termodinâmica - um sistema
isolado ou permanece estático ou evolui para um estado de caos e não de ordem.
A maioria das outras leis da física não impede que as bolas de
bilhar sejam montadas em uma pirâmide, o chá infundido retorne ao saquinho de
chá ou um vulcão "irrompe" em sentido inverso. Mas esses
fenômenos não são observados, porque exigiriam um sistema isolado para assumir
um estado mais ordenado, sem qualquer intervenção externa, o que contraria a
segunda lei. A natureza dessa lei não foi explicada detalhadamente, mas os
pesquisadores fizeram um grande progresso na compreensão dos princípios básicos
por trás dela.
Reversão espontânea
de tempo
Os físicos quânticos do MIPT decidiram verificar se o tempo
poderia se inverter espontaneamente, pelo menos para uma partícula individual e
por uma pequena fração de segundo. Isto é, em vez de colidir bolas de
bilhar, eles examinaram um elétron solitário no espaço interestelar vazio.
"Suponha
que o elétron esteja localizado quando começamos a observá-lo. Isso significa
que temos certeza sobre sua posição no espaço. As leis da mecânica quântica nos
impedem de conhecê-lo com absoluta precisão, mas podemos delinear uma pequena
região onde o elétron é localizado", diz o co-autor do estudo, Andrey
Lebedev, do MIPT e ETH Zurich.
O físico explica que a evolução do estado do elétron é governada
pela equação de Schrödinger. Embora não faça distinção entre o futuro e o
passado, a região do espaço que contém o elétron se espalhará muito
rapidamente. Ou seja, o sistema tende a se tornar mais caótico. A
incerteza da posição do elétron está crescendo. Isso é análogo à crescente
desordem em um sistema de grande escala - como uma mesa de bilhar - devido à
segunda lei da termodinâmica.
Os quatro estágios do
experimento real em um computador quântico estão equipados com experimentos de
pensamento em um espaço sem espaço e uma analogia imaginária com bolas de
bilhar. A subseguência dos três sistemas internos evolui de forma
ordenada, mas então uma perturbação externa está perfeitamente cronometrada
reverte esse processo. Crédito: @ tsarcyanide / MIPT.
"No entanto, a equação de Schrödinger é
reversível", acrescenta Valerii Vinokur, um coautor do artigo, do Argonne
National Laboratory, EUA. "Matematicamente, isso significa que sob uma certa
transformação chamada conjugação complexa, a equação descreverá uma mancha",
elétron localizando de volta em uma pequena região do espaço no mesmo período
de tempo ". Embora esse fenômeno não seja observado na natureza,
teoricamente isso poderia acontecer devido a uma flutuação aleatória no fundo
de micro-ondas cósmica que permeia o Universo.
A equipe
começou a calcular a probabilidade de observar um elétron "espalhado"
por uma fração de segundo localizando-se espontaneamente em seu passado
recente. Descobriu-se que mesmo durante toda a vida do universo - 13,7
bilhões de anos - observando 10 bilhões de elétrons recém-localizados a cada
segundo, a evolução inversa do estado da partícula só aconteceria uma vez. E,
mesmo assim, o elétron não viajaria mais do que um décimo de bilionésimo de
segundo no passado.
Fenômenos de larga escala envolvendo bolas de bilhar e vulcões
obviamente se desdobram em escalas de tempo muito maiores e apresentam um
número impressionante de elétrons (
https://phys.org/tags/electrons/
) e outras partículas. Isso explica por que não observamos pessoas idosas
ficando mais jovens ou uma mancha de tinta se separando do papel.
Tempo de
reversão sob demanda
Os pesquisadores então tentaram reverter o tempo em um experimento
de quatro estágios. Em vez de um elétron, eles observaram o estado de um
computador quântico feito de dois e mais tarde três elementos básicos chamados
qubits supercondutores.
· Estágio 1: pedido. Cada qubit é inicializado no estado
fundamental, denotado como zero. Essa configuração altamente ordenada
corresponde a um elétron localizado em uma região pequena ou a um rack de bolas
de bilhar antes do intervalo.
· Estágio 2: Degradação. A encomenda está perdida. Assim
como o elétron é espalhado por uma região cada vez maior do espaço, ou o rack é
quebrado na mesa de sinuca, o estado dos qubits se torna um padrão de mudança
cada vez mais complexo de zeros e uns. Isto é conseguido lançando
brevemente o programa de evolução no computador quântico. Na verdade, uma
degradação semelhante ocorreria por si só devido a interações com o ambiente. No
entanto, o programa controlado de evolução autônoma permitirá o último estágio
do experimento.
· Estágio 3: inversão de tempo. Um programa especial modifica o
estado do computador quântico de tal forma que evoluiria "para trás",
do caos para a ordem. Esta operação é semelhante à flutuação aleatória de
fundo de microondas no caso do elétron, mas desta vez, é deliberadamente
induzida. Uma analogia obviamente exagerada para o exemplo de bilhar seria
alguém dando à mesa um chute perfeitamente calculado.
· Estágio 4: Regeneração. O programa de evolução do segundo
estágio é lançado novamente. Desde que o "chute" tenha sido
entregue com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas rebobina o
estado dos qubits de volta ao passado, como um elétron espalhado seria
localizado ou as bolas de bilhar retrocederiam suas trajetórias em sentido
inverso, reprodução, eventualmente formando um triângulo.
Os pesquisadores
descobriram que em 85% dos casos, o computador quântico de dois qubits retornou
ao estado inicial. Quando três qubits estavam envolvidos, mais erros
aconteceram, resultando em uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%. Segundo
os autores, esses erros se devem a imperfeições no computador quântico real. À
medida que os dispositivos mais sofisticados são projetados, a taxa de erro
deve cair.
Curiosamente, o próprio algoritmo de inversão de tempo pode ser
útil para tornar os computadores quânticos mais precisos. "Nosso
algoritmo pode ser atualizado e usado para testar programas escritos para computadores
quânticos (
https://phys.org/tags/quantum/ ) e
eliminar ruídos e erros", explicou Lebedev.
Mais informações:
Relatórios científicos (2019) (https://www.nature.com/articles/s41598-019-40765-6
). DOI: 10.1038 /
s41598-019-40765-6
Referência
de revista:
Fonte:
PHYS.ORG / 13/03/0219
https://phys.org/news/2019-03-physicists-reverse-quantum.html
Obrigado pela sua visita e volte sempre!
HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Pesquisador Independente na Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e
Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do projeto S`Cool Ground Observation
(Observações de Nuvens) que é integrado ao Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant
Energy System) administrado pela NASA.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and
Atmospheric Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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