Mecânica quântica e termodinâmica podem ser verdadeiras, dizem físicos – Physics World

Físicos na Holanda e na Alemanha mostraram que as teorias da termodinâmica e da mecânica quântica são formas válidas de descrever o comportamento dos fótons em um processador quântico. Os resultados, obtidos por pesquisadores da Universidade de Twente e da Freie Universität Berlin, abrem as portas para uma compreensão mais profunda de como conciliar essas duas grandes teorias.

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, em contraste, permite que os estados anteriores das partículas sejam calculados de volta, o que significa que o fluxo de informação e o tempo são reversíveis.

Nos últimos anos, houve várias tentativas de explorar esse conflito usando sistemas quânticos emaranhados, como átomos ultrafrios ou bits quânticos supercondutores (qubits). 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. Isso dificulta a criação de um sistema verdadeiramente fechado. Eles também são propensos a perder sua natureza quântica, um processo conhecido como decoerência, que dificulta a implementação da reversão do tempo.

Fotônica para o resgate

Para contornar esses desafios, a equipe optou por estudar a termalização e o equilíbrio em sistemas de fótons emaranhados. Os fótons têm várias vantagens sobre os sistemas quânticos compostos por (por exemplo) átomos. Sua natureza intrinsecamente quântica significa que eles não sofrem de decoerência. Eles podem ser estudados à temperatura ambiente, em contraste com as temperaturas ultrabaixas necessárias para os átomos, e são fáceis de manipular com interferência. Mais importante ainda, eles permitem a reversibilidade do tempo: qualquer mistura dos fótons pode ser revertida realizando a operação inversa, o que significa que os fótons emaranhados podem, de fato, ser “desembaraçados”.

No experimento, os pesquisadores começam injetando fótons individuais em canais de guia de onda em um chip. Esses fótons interferem onde os canais fotônicos no chip se encontram e se cruzam. Essa interferência, que a equipe controlou com interferômetros termo-ópticos de Mach-Zehnder, cria uma superposição de fótons nos guias de onda e permite o emaranhamento. Os fótons são então detectados com detectores de fóton único.

Simultaneamente verdadeiro

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.

Depois que esses protocolos foram concluídos, as medições nos canais de saída individuais do experimento mostraram que os números de fótons não podiam mais ser definidos com precisão. Isso ocorre porque os fótons estavam em um estado emaranhado juntos e não mais localizados individualmente em um único canal como estavam na entrada. No entanto, as estatísticas de fótons que os pesquisadores mediram em cada canal mostraram que a entropia aumentou localmente em todos os canais, de acordo com a segunda lei da termodinâmica. Ao mesmo tempo, o emaranhamento formado 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.

Como verificação final, os físicos realizaram operações para retornar o processador ao seu estado original (reversão do tempo). O sucesso dessas operações provou que os processos de termalização e equilíbrio foram devidos ao emaranhamento entre as partículas quânticas, ao invés de interações com o meio ambiente. Portanto, o experimento mostrou que a termodinâmica e a mecânica quântica podem ser verdadeiras ao mesmo tempo.

Dados de alta qualidade

De acordo com o Pepijn Pinkse, especialista em óptica quântica da Universidade de Twente, o maior desafio da equipe foi obter dados de alta qualidade suficientes para realizar as medições. Baixas perdas no processador fotônico ajudaram, diz ele, e mais fótons e processadores maiores devem permitir que eles simulem mais sistemas. O elemento mais fraco da cadeia, acrescenta ele, parece ser a fonte de fótons: “Temos pelo menos 12 canais de entrada, mas apenas três fótons ao mesmo tempo para experimentar, então há espaço para melhorias aqui”, diz ele Mundo da física.

A teoria desconhecida: por que a termodinâmica é tão importante quanto a mecânica quântica e a relatividade geral

Nicole Yunger Halpern, especialista em termodinâmica quântica do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), que não participou da pesquisa, diz que o experimento é importante porque se estende a fótons em trabalhos anteriores que envolviam átomos ultrafrios, íons aprisionados e qubits supercondutores. Essa mudança de plataforma, diz ela, permitiu aos experimentalistas desfazer o processo que levou o sistema a se equilibrar internamente, permitindo concluir que o sistema manteve sua natureza quântica enquanto se equilibrava. Fazer isso requer uma “excelente quantidade de controle”, observa ela, acrescentando que o desafio de alcançar esse controle causou ansiedade significativa nos grupos que usam outras plataformas nos últimos anos.

A pesquisa é publicada em Natureza das Comunicações.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/