Versão quântica da terceira lei da termodinâmica mostra suas regras

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/04/2023

Muitas partículas quânticas interagindo podem formar sistemas complexos, e essa complexidade permite atingir o zero absoluto - pelo menos em princípio.
[Imagem: IQOQI/ÖAW]

Como chegar ao zero absoluto

A temperatura mais baixa absoluta possível é de -273,15 graus Celsius. Não é possível resfriar qualquer objeto exatamente a essa temperatura - só se pode aproximar do zero absoluto. Esta é a essência da terceira lei da termodinâmica.

Mas, fora a possibilidade de alguma falha na terceira lei da termodinâmica, há uma questão fundamental: Como essa lei pode ser conciliada com as regras da física quântica?

Quando as partículas quânticas atingem o zero absoluto, seu estado é conhecido com precisão: É garantido que elas estarão no estado com a energia mais baixa possível. Então, essas partículas não conterão mais nenhuma informação sobre o estado em que estavam antes; tudo o que pode ter acontecido com a partícula antes é perfeitamente apagado.

Assim, do ponto de vista da física quântica, o resfriamento e o apagamento de informações estão intimamente relacionados, o que significa o encontro de duas importantes teorias da física: a Teoria da Informação e a Termodinâmica.

O problema é que elas se encontram, mas não se entendem, uma contradizendo a outra. "Da teoria da informação, conhecemos o chamado princípio de Landauer. Ele diz que uma quantidade mínima muito específica de energia é necessária para excluir um bit de informação," explica o Prof. Marcus Huber, da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria. "A termodinâmica, no entanto, diz que você precisa de uma quantidade infinita de energia para resfriar qualquer coisa exatamente até o zero absoluto. Mas se deletar informações e resfriar ao zero absoluto são a mesma coisa, como isso se encaixa?"

Recentemente, um exótico gás de luz também avançou rumo ao zero absoluto, e além.
[Imagem: Muniz et al. - 10.1126/science.ade6523]

Versão quântica da terceira lei da termodinâmica

A saída para essa situação embaraçosa pode estar em uma "versão quântica" da terceira lei da termodinâmica.

A raiz do problema está no fato de que a termodinâmica foi formulada no século 19 para objetos clássicos - para motores a vapor, refrigeradores ou peças incandescentes de carvão. Naquela época, as pessoas não tinham ideia sobre a teoria quântica. Se quisermos entender a termodinâmica de partículas individuais, primeiro temos que analisar como a termodinâmica e a física quântica interagem.

Foi exatamente isso que a equipe austríaca fez agora, conforme o pesquisador Philip Taranto se deu conta de que, para qualquer receita concebível para se atingir o zero absoluto, você precisa de três ingredientes: Energia, tempo e complexidade. E somente se você tiver uma quantidade infinita de um desses ingredientes você poderá chegar ao zero absoluto.

"Nós rapidamente nos demos conta de que você não precisa necessariamente usar energia infinita para atingir o zero absoluto," contou o professor Huber. "Também é possível com energia finita - mas você precisa de um tempo infinitamente longo para fazer isso."

Até este ponto, as considerações ainda são compatíveis com a termodinâmica clássica como a conhecemos nos livros didáticos. Mas então a equipe se deparou com um detalhe adicional de importância crucial: "Descobrimos que podem ser definidos sistemas quânticos que permitem que o estado fundamental absoluto seja alcançado mesmo com energia finita e em tempo finito - nenhum de nós esperava isso," prosseguiu o pesquisador. "Mas esses sistemas quânticos especiais têm outra propriedade importante: Eles são infinitamente complexos."

Certo, você precisaria de um controle infinitamente preciso sobre infinitos detalhes do sistema quântico, mas conseguiria resfriar um objeto quântico ao zero absoluto em tempo finito com energia finita. Teoricamente, é claro: Na prática, isso é tão inatingível quanto uma energia infinitamente alta ou um tempo infinitamente longo.

Mas isso tem largas implicações, incluindo para a teoria da informação: "Portanto, se você deseja apagar perfeitamente as informações quânticas em um computador quântico e, no processo, transferir um qubit para um estado fundamental perfeitamente puro, teoricamente você precisaria de um computador quântico infinitamente complexo, que pudesse controlar perfeitamente um número infinito de partículas," detalhou Huber.

Sim, há experimentos demonstrando temperaturas abaixo do zero absoluto.
[Imagem: LMU/MPG Munich]

A perfeição não é necessária

A boa notícia é que, na prática, a perfeição não é necessária - nenhuma máquina é perfeita, o que significa que um computador quântico prático pode fazer seu trabalho "razoavelmente bem" sem precisar levar sua complexidade ao infinito. Portanto, os novos resultados não são um obstáculo - em princípio - ao desenvolvimento dos computadores quânticos.

Mas a pesquisa tem outras implicações práticas: Em qualquer tecnologia quântica, dos computadores aos sensores, a temperatura desempenha um papel fundamental: Quanto maior a temperatura, mais frágeis são os estados quânticos, que perdem a coerência e se tornam inutilizáveis para qualquer uso técnico.

"É exatamente por isso que é tão importante entender melhor a conexão entre a teoria quântica e a termodinâmica," disse Huber. "Há muito progresso interessante nesta área no momento. Está lentamente se tornando possível ver como essas duas partes importantes da física se entrelaçam."

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