Caros Leitores;
Crédito: @ tsarcyanide / MIPT
Pesquisadores do Instituto de Física
e Tecnologia de Moscou se uniram 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 é publicado
em relatórios científicos .
"Este é um de uma
série de artigos sobre a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica . 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
da Tecnologia da Informação Quântica no MIPT.
"Começamos descrevendo 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
espelham os estágios do experimento de pensamento envolvendo um elétron no
espaço e a analogia imaginária com bolas de bilhar. Cada um dos três
sistemas inicialmente evolui da ordem para o caos, mas então uma perturbação
externa perfeitamente cronometrada reverte esse processo. Crédito: @
tsarcyanide / MIPT
"No
entanto, a equação de Schrödinger é reversível", acrescenta Valerii
Vinokur, um co-autor do artigo, do Argonne National Laboratory, EUA.
"Matematicamente, isso significa que sob uma certa transformação chamada
conjugação complexa, a equação irá descrever 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 microondas
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 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 sobre 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. Contanto que o "chute" tenha sido executado
com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas rebobina o estado dos
qubits de volta ao passado, a maneira 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 e eliminar ruídos e
erros", explicou Lebedev.
Obrigado pela sua
visita e volte sempre!
Hélio
R.M. Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de
conteúdos da 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. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
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
Nenhum comentário:
Postar um comentário