Mecânica Quântica e Termodinâmica são verdadeiras simultaneamente, dizem físicos

Com informações da Physics World - 03/08/2023

A seta do tempo: Físicos exploraram a relação entre a termodinâmica (representada pela taça se quebrando) e a mecânica quântica, usando para isso um processador quântico fotônico.
[Imagem: Florian Sterl/Sterltech Optics]

Incompatibilidade entre termodinâmica e mecânica quântica

Físicos das universidades de Twente (Países Baixos) e Livre de Berlim (Alemanha) demonstraram que as teorias da termodinâmica e da mecânica quântica são formas válidas de descrever o comportamento dos fótons em um processador quântico.

A termodinâmica e a mecânica quântica são pilares da física moderna, mas, de uma forma específica e importante, elas não se dão bem.

O ponto de discórdia gira em torno da Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que um sistema fechado se moverá em direção à entropia máxima (uma medida da desordem do sistema, ou caos) de maneira irreversível.

A teoria da mecânica quântica, por sua vez, permite que os estados anteriores das partículas sejam calculados de volta, o que significa que o fluxo de informação e o tempo são reversíveis - é por isso que os físicos quânticos dizem que "não existe uma segunda lei da termodinâmica quântica".

Nos últimos anos, houve várias tentativas de compreender melhor esse conflito usando o entrelaçamento entre átomos ultrafrios ou entre qubits supercondutores. Ao observar o que acontece quando esses sistemas se termalizam e se equilibram, deve ser possível medir sua entropia e seus estados quânticos ao mesmo tempo e, assim, resolver o paradoxo.

O problema é que os sistemas quânticos são muito sensíveis às interações com seu ambiente, dificultando a criação de um sistema verdadeiramente fechado para fazer os experimentos. Eles também são propensos a perder sua natureza quântica, um processo conhecido como decoerência, que dificulta a implementação da reversão do tempo.

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

Fazendo o tempo andar para trás

Para contornar essas dificuldades, Frank Somhorst e seus colegas optaram por estudar a termalização e o equilíbrio em sistemas de fótons entrelaçados. Os fótons têm várias vantagens sobre os sistemas compostos por átomos ou qubits: Sua natureza intrinsecamente quântica significa que eles não sofrem de decoerência, podem ser estudados à temperatura ambiente e são fáceis de manipular.

Mais importante ainda, os fótons permitem a reversibilidade do tempo: Qualquer mistura dos fótons pode ser revertida realizando a operação inversa, o que significa que os fótons entrelaçados podem, de fato, ser "desembaraçados".

O experimento começa injetando fótons individuais em guias de onda em um chip. Esses fótons interferem entre si onde os canais fotônicos no chip se cruzam. E essa interferência, que a equipe controlou com interferômetros termo-ópticos, cria uma superposição de fótons nos guias de onda, gerando o entrelaçamento. A jusante, os fótons são detectados com detectores de fóton único.

Para determinar os aumentos locais e totais de entropia do sistema, os pesquisadores realizaram uma série de protocolos - a reversibilidade do tempo, por exemplo, foi implementada desemaranhando os fótons, o que foi possível devido ao controle total que o processador dá sobre o experimento.

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

Duas teorias válidas

Os resultados mostraram que os números de fótons não podiam mais ser definidos com precisão porque eles estavam em um estado entrelaçado, logo, não mais localizados individualmente em um único canal do guia de ondas, como estavam na entrada.

Além disso, o entrelaçamento entre os fótons não é visível nos canais individuais: Somente ao considerar o sistema inteiro fica claro que o estado quântico geral está em uma forma pura, consistente com a mecânica quântica.

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

Como verificação final, os físicos realizaram operações para retornar o processador ao seu estado original, ou seja, implementaram uma reversão do tempo. Essas operações tiveram sucesso, provando que os processos de termalização e equilíbrio foram devidos ao entrelaçamento entre as partículas quânticas, ao invés de se dever a interações com o meio ambiente.

Portanto, o experimento mostrou que a termodinâmica e a mecânica quântica podem ser verdadeiras ao mesmo tempo.

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