Os cientistas desenvolveram uma nova forma de controlar sistemas quânticos que pode tornar o seu comportamento mais consistente com o movimento do tempo para trás em vez de para a frente. Um estudo publicado em Exame físico de Xintroduz protocolos de controle quântico que alteram a “flecha do tempo” de um sistema, o conceito de que o tempo se move naturalmente em apenas uma direção. Esta abordagem poderia eventualmente apoiar novos métodos de extração de energia de sistemas quânticos e preparação de estados quânticos.
Um sistema quântico como um grupo de qubits obedece às regras da mecânica quântica, não à física clássica. Usando protocolos de controle recentemente desenvolvidos, os pesquisadores podem suprimir a aparência normal da seta do tempo, ou até mesmo mudar sua direção aparente, de modo que os processos quânticos pareçam estar se desenrolando ao contrário. Como demonstração da técnica, a equipe também criou um mecanismo de medição que pode coletar energia do ato de fazer medições quânticas.
“Ao contrário dos fenómenos que observamos à nossa volta, ao nível microscópico, a maioria das leis fundamentais da física vêem o movimento para a frente e para trás no tempo como fisicamente possível”, disse o físico do Laboratório Nacional de Los Alamos, Luis Pedro García-Pintas. “Em outras palavras, essas leis da física são simétricas em relação à reversão do tempo; as equações funcionam tão bem se você voltar no tempo. Para sistemas quânticos que operam em um nível tão microscópico, as ferramentas que construímos podem manipular a flecha do tempo percebida, levando a novas maneiras surpreendentes de controlar sistemas quânticos.”
Comportamento quântico do tempo de engenharia
Na física clássica cotidiana, a medição tem pouco efeito sobre o objeto observado. Os sistemas quânticos se comportam de maneira bem diferente. Medi-los aleatoriamente muda seu estado, criando naturalmente uma flecha do tempo.
Para superar esse efeito, os pesquisadores combinaram as medidas de feedback para obter trajetórias estocásticas invertidas no tempo. Isso permitiu que os sistemas quânticos seguissem caminhos que parecem consistentes com o fluxo inverso do tempo.
A equipe conseguiu isso desenvolvendo um hamiltoniano de controle, uma sequência cuidadosamente planejada de campos e pulsos que reproduz os efeitos das medições quânticas. Quando o hamiltoniano é incluído no sistema de feedback, ele pode cancelar, amplificar ou até mesmo corrigir excessivamente as perturbações causadas pelas medições. Como resultado, o sistema pode gerar trajetórias que correspondem a ponteiros do tempo esticados, borrados ou invertidos.
Uma versão quântica do demônio de Maxwell
O trabalho também se baseia no famoso experimento mental do século 19 conhecido como Demônio de Maxwell. Num tal cenário, um observador hipotético separaria selectivamente as partículas quentes e frias, reduzindo claramente a entropia e desafiando a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia aumenta naturalmente ou permanece constante. (A física posterior mostrou que a segunda lei não é violada quando todas as fontes de custos termodinâmicos são levadas em conta.)
O “demônio” quântico da equipe de Los Alamos usa informações sobre o estado do sistema quântico e os resultados das medições para produzir o mesmo comportamento incomum, revertendo efetivamente o relógio natural do sistema.
Extraindo energia de medições quânticas
Novas técnicas de controle também permitem que os pesquisadores influenciem a forma como a energia entra e sai de um sistema quântico. Esta capacidade pode alimentar um mecanismo de medição contínua que extrai energia útil diretamente do processo de monitoramento.
Nesse quadro, as medições quânticas tornam-se um recurso termodinâmico que pode ser utilizado para realizar trabalhos, como controlar outro processo quântico ou armazenar energia em uma bateria quântica.
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam demonstrar experimentalmente processos de medição baseados em Hamiltoniano para controle de feedback quântico usando qubits supercondutores. Esses sistemas suportam feedback rápido, detecção altamente eficiente e já foram usados para implementar versões quânticas do demônio de Maxwell. Pesquisas futuras também aplicarão novos métodos para desenvolver protocolos aprimorados para a preparação de estados quânticos.
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Programa de Pesquisa em Computação Científica Avançada, Projeto de Lei Beyond Moore do Programa de Modelagem e Computação Avançada em Los Alamos e pela National Science Foundation.
