Termodinâmica quântica: Entropia pode de fato existir no mundo quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/05/2024

Entender a "termodinâmica quântica" irá nos ajudar a explorar melhor os fenômenos muito frágeis do reino molecular, atômico e subatômico.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Termodinâmica quântica

Em um raro exemplo de uma reviravolta radical em suas próprias conclusões, dois físicos publicaram novos resultados que demonstram que pode sim haver um efeito de entropia incorporado nas "profundezas" da mecânica quântica.

Há pouco mais de um ano, Bartosz Regula (Universidade de Tóquio) e Ludovico Lami (Universidade de Amsterdã) demonstraram que a termodinâmica não interfere no fenômeno quântico do entrelaçamento, o que significaria que essa correlação de longo alcance, que mantém partículas estranhamente conectadas, seria um fenômeno irreversível, jogando por terra hipóteses de uma "segunda lei do entrelaçamento".

Agora, porém, os mesmos dois físicos publicaram outro trabalho exatamente com a conclusão inversa. E isto não se explica porque aquele primeiro trabalho estivesse errado, mas porque agora eles partiram de outros parâmetros e de outra abordagem, "mais universal", por assim dizer.

O primeiro trabalho analisou sistemas quânticos que sofrem influência do meio ambiente - sistemas com ruído - de modo determinístico. Agora, a dupla partiu de uma descrição probabilística, mais genérica.

Usar transformações probabilísticas do entrelaçamento só dá resultados confiáveis algumas vezes, mas, em troca, essas transformações mais incertas fornecem um poder maior na conversão dos sistemas quânticos. De fato, essa descrição permite estabelecer uma estrutura reversível para a manipulação do entrelaçamento, o que mostra assim um cenário no qual emerge uma peculiar "entropia do entrelaçamento", e todas as transformações do entrelaçamento são governadas por uma única quantidade.

Assim, os métodos usados neste novo estudo podem ser aplicados de forma mais ampla, mostrando propriedades de reversibilidade semelhantes também para recursos quânticos mais gerais. E isto poderá ajudar a desenvolver uma melhor compreensão do entrelaçamento quântico, que é um recurso fundamental que sustenta grande parte do poder dos futuros computadores quânticos. Atualmente, pouco se sabe sobre as formas ideais de fazer uso eficaz dele, apesar de ser o foco da pesquisa na ciência da informação quântica há décadas.

A Mecânica Quântica e a Termodinâmica podem ser verdadeiras simultaneamente.
[Imagem: Florian Sterl/Sterltech Optics]

Entenda a entropia dos fenômenos quânticos

A segunda lei da termodinâmica, que diz que um sistema nunca pode passar para um estado com menor entropia, ou ordem, é uma das leis mais fundamentais da natureza e está no cerne da física. É ela que cria a seta do tempo e nos conta o fato notável de que a dinâmica dos sistemas físicos em geral, mesmo os extremamente complexos, como gases ou buracos negros, é encapsulada por uma única função - sua entropia.

Isso tem sido assim desde os primórdios da física, conforme avançava nosso conhecimento do que hoje chamamos de sistemas clássicos. Mas então surgiu uma complicação, conforme começamos a explorar o mundo quântico, onde a física clássica não funciona tão bem - quando funciona. Nessa revolução quântica em andamento, é crucial compreender como podemos extrair e transformar os delicados e frágeis fenômenos quânticos, como o entrelaçamento e a superposição, que permitem obter vantagens significativas em comunicação, computação e criptografia.

A dificuldade reside no fato de que uma pretensa "segunda lei" para o entrelaçamento quântico - uma lei da termodinâmica quântica, por assim dizer - exige demonstrar que as transformações do entrelaçamento podem ser reversíveis, assim como o trabalho e o calor podem ser interconvertidos na termodinâmica. Só que todas as tentativas feitas até agora para tentar estabelecer qualquer forma de teoria reversível do entrelaçamento falharam - incluindo o modelo determinístico mostrado pelos mesmos dois pesquisadores no ano passado.

Mas também há diferenças entre os dois reinos porque, em alguns aspectos, o mundo quântico contesta a termodinâmica.
[Imagem: Naoyuki Shibata et al. - 10.1103/PhysRevLett.124.180604]

Quadro mais geral

Foi aí que entrou o método probabilístico usado agora, criando um quadro no qual emergiu a tão sonhada reversibilidade do entrelaçamento quântico.

"Nosso trabalho serve como a primeira evidência de que a reversibilidade é um fenômeno alcançável na teoria do emaranhamento. No entanto, formas ainda mais fortes de reversibilidade foram conjecturadas, e há esperança de que o emaranhamento possa se tornar reversível mesmo sob suposições mais fracas do que as que fizemos em nosso trabalho - nomeadamente, sem ter que confiar em transformações probabilísticas A questão é que responder a estas questões parece significativamente mais difícil, exigindo a solução de problemas matemáticos e de teoria da informação que escaparam a todas as tentativas de os resolver até agora. Portanto, compreender os requisitos precisos para que a reversibilidade seja mantida permanece um problema fascinante ainda em aberto," concluiu Regula.

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