O limite de velocidade da natureza

Um paradoxo da física de um século e meio encontrou nova vida no reino quântico, à medida que pesquisadores demonstram que, embora a mecânica quântica possa teoricamente violar uma das leis fundamentais da natureza, ela escolhe não fazê-lo. A descoberta, publicada em npj Quantum Information , revela uma harmonia inesperada entre a teoria quântica e a termodinâmica que pode remodelar nossa compreensão de ambos os campos.

 

Pesquisadores da Universidade de Nagoya e da Academia Eslovaca de Ciências descobriram que a teoria quântica permite tecnicamente violações da segunda lei da termodinâmica – um princípio fundamental da física que governa tudo, desde motores até a evolução. No entanto, eles também mostraram que qualquer processo quântico pode ser projetado para respeitar essa lei, sugerindo uma coexistência elegante entre a física clássica e a quântica.

Um velho demônio recebe uma transformação quântica

O sistema físico (ou seja, o gás) sendo medido, denotado por A ; o estado interno M do controlador (ou seja, o demônio) (onde a letra “M” representa “Maxwell”, “aparelho de medição” ou “memória”); um registro clássico K registrando os resultados da medição; e dois banhos independentes B ₁ e B ₂ (um usado durante o estágio de controle de feedback, o outro usado para o apagamento final da medição), que são assumidos como estando na mesma temperatura finita. Isso significa que o processo geral é assumido como isotérmico.

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A pesquisa revisita o famoso experimento mental do “demônio de Maxwell” de 1867, que propôs um ser hipotético que poderia violar a segunda lei da termodinâmica ao classificar moléculas com base em sua velocidade. A equipe desenvolveu uma estrutura matemática para analisar como esse “demônio” se comportaria em um sistema quântico.

“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”, explicou Shintaro Minagawa, um dos principais pesquisadores do estudo.

Mas em vez de ameaçar derrubar a física, essa descoberta revela algo mais profundo. “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, outro dos autores do estudo.

Independência sem conflito

Francesco Buscemi, um dos autores do estudo, elaborou sobre o significado: “Uma coisa que mostramos neste artigo é que a teoria quântica é realmente logicamente independente da segunda lei da termodinâmica. Ou seja, ela pode violar a lei simplesmente porque não ‘sabe’ nada sobre ela.” Ele acrescentou: “E ainda assim — e isso é igualmente notável — qualquer processo quântico pode ser realizado sem violar a segunda lei da termodinâmica. Isso pode ser feito adicionando mais sistemas até que o equilíbrio termodinâmico seja restaurado”.

Implicações práticas

A pesquisa vai além da física teórica. Ao estabelecer que os processos quânticos podem ser projetados para respeitar os limites termodinâmicos enquanto ainda aproveitam os efeitos quânticos, o estudo fornece orientação crucial para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. Isso pode influenciar o design de computadores quânticos e motores em nanoescala, onde entender as restrições de energia é crítico.

A análise matemática da equipe revelou equações precisas para extração de trabalho e gasto em sistemas quânticos, expressas por meio de medidas de informação quântica como entropia de von Neumann e ganho de informação de Groenewold-Ozawa. Essas ferramentas fornecem uma nova estrutura para entender os custos energéticos das operações quânticas.

Olhando para a frente

As descobertas sugerem que, embora a mecânica quântica e a termodinâmica operem independentemente, elas podem ser reconciliadas harmoniosamente. Esse insight pode se mostrar valioso à medida que as tecnologias quânticas avançam, oferecendo um caminho para explorar efeitos quânticos, respeitando os limites fundamentais da natureza.

Em vez de restringir o desenvolvimento da tecnologia quântica, a pesquisa sugere que os princípios termodinâmicos podem orientar o design de sistemas quânticos mais eficientes. À medida que avançamos mais profundamente no reino quântico, essa compreensão de como trabalhar dentro – e não contra – as restrições termodinâmicas pode se mostrar crucial para inovações futuras.