Teoria quântica e termodinâmica podem viver em harmonia, mesmo discordando

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/03/2025

Nenhum exorcismo quântico consegue afastar de vez o demônio de Maxwell - mas isso também não é necessário.
[Imagem: Reiko Matsushita]

Enigma da entropia

Pesquisadores revelaram novas informações sobre a interação entre a teoria quântica e a termodinâmica.

É o quarto trabalho nesta área de fronteira em poucas semanas, após a demonstração de que a entropia pode de fato existir no mundo quântico, que a mecânica quântica e a termodinâmica podem ser verdadeiras simultaneamente ou, se tudo parecer muito complicado, basta ajustar o conceito de entropia para que a física quântica a aceite.

Shintaro Minagawa e colegas da Universidade de Nagoya, no Japão, e da Academia Eslovaca de Ciências demonstram agora que, embora a teoria quântica não proíba inerentemente violações da Segunda Lei da Termodinâmica, processos quânticos podem ser implementados sem realmente violar essa lei.

É uma abordagem do tipo "caminho do meio", destacando uma possibilidade de coexistência harmoniosa entre os dois campos, apesar de sua independência lógica. Esta nova demonstração abre novos caminhos para entender os limites termodinâmicos das tecnologias quânticas, como a computação quântica ou os motores em nanoescala.

O demônio de Maxwell já está sendo usado para reduzir erros dos computadores quânticos.
[Imagem: UNSW]

Demônio de Maxwell

A Segunda Lei afirma que a entropia - uma medida da desordem em um sistema - nunca diminui espontaneamente. Ela também afirma que um motor operando ciclicamente não pode produzir trabalho mecânico extraindo calor de um único ambiente térmico e ressalta o conceito de um fluxo unidirecional do tempo.

Apesar de seu papel fundamental, a Segunda Lei da Termodinâmica continua sendo um dos princípios mais debatidos e mal compreendidos na ciência. E no centro desse debate está o famoso paradoxo do "demônio de Maxwell", um experimento mental proposto pelo físico James Clerk Maxwell em 1867. Esse ser imaginário interfere com a entropia, separando as partículas quentes das frias e impedindo o caminho normal de equalização das temperaturas. À medida que o sistema retorna ao equilíbrio, trabalho mecânico é extraído, aparentemente desafiando a Segunda Lei.

As soluções para o paradoxo têm-se centrado amplamente em tratar o demônio como um sistema físico sujeito às leis termodinâmicas. Uma solução proposta é apagar a memória do demônio, o que exigiria um gasto de trabalho mecânico, compensando efetivamente a violação da Segunda Lei.

Foi daqui que a equipe partiu, na tentativa de explorar esse mecanismo mais a fundo.

Na verdade, um demônio de Maxwell consegue teletransportar a entropia.
[Imagem: tsarcyanide/MIPT]

Demônios continuam fazendo suas mágicas

Minagawa e seus colegas desenvolveram um modelo matemático para um "motor demoníaco", um sistema alimentado pelo demônio de Maxwell. Eles escolheram uma abordagem baseada na teoria dos instrumentos quânticos, uma estrutura introduzida nas décadas de 1970 e 1980 para descrever as formas mais gerais de medição quântica.

O modelo envolve três etapas: O demônio mede um sistema alvo, então extrai trabalho dele ao acoplá-lo a um ambiente térmico e, finalmente, apaga sua memória ao interagir com o mesmo ambiente. Isso deu origem a equações precisas para o trabalho despendido pelo demônio e o trabalho que ele extrai, expressas em termos de medidas de informação quântica, como entropia de von Neumann e ganho de informação de Groenewold-Ozawa, um conceito que quantifica a quantidade de informação obtida quando uma medição quântica é realizada.

O resultado surpreendente emergiu quando a equipe comparou essas equações: "Nossos resultados mostraram que, sob certas condições permitidas pela teoria quântica, mesmo depois de contabilizar todos os custos, o trabalho extraído pode exceder o trabalho despendido, aparentemente violando a Segunda Lei da Termodinâmica," detalhou Minagawa. "Esta revelação foi tão emocionante quanto inesperada, desafiando a suposição de que a teoria quântica é inerentemente 'à prova de demônios'. Há cantos ocultos na estrutura onde o demônio de Maxwell ainda pode fazer sua mágica."

Nessa área, entropia e informação são conceitos intrinsecamente ligados, o que tem uma implicação surpreendente: Pode ser possível prever as mutações genéticas, hoje consideradas aleatórias.
[Imagem: Melvin M. Vopson et al. - 10.1063/5.0100358]

Harmonia entre teorias

A exemplo de alguns dos outros trabalhos citados no início da reportagem, este novo conjunto de equações vem no sentido de "amenizar" o conflito, ou dizer que não é necessário haver um conflito entre mecânica quântica e termodinâmica.

"Nosso trabalho demonstra que, apesar dessas vulnerabilidades teóricas, é possível projetar qualquer processo quântico para que ele esteja em conformidade com a segunda lei", disse Hamed Mohammady, membro da equipe. "Em outras palavras, a teoria quântica pode potencialmente quebrar a Segunda Lei da Termodinâmica, mas na verdade ela não precisa fazer isto. Isso estabelece uma harmonia notável entre a mecânica quântica e a termodinâmica: Elas permanecem independentes, mas nunca fundamentalmente em desacordo."

Esta descoberta também sugere que a segunda lei não impõe limitações estritas às medições quânticas. Qualquer processo permitido pela teoria quântica pode ser implementado sem violar os princípios termodinâmicos. E isso abre novas possibilidades para tecnologias quânticas, sem desafiar os princípios atemporais da termodinâmica - entre outros, na computação quântica e nos motores em nanoescala.

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