Bateria de entrelaçamento revela equivalente quântico da segunda lei da termodinâmica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/07/2025

O entrelaçamento quântico é um tanto estranho para o mundo cotidiano, mas é uma realidade essencial para coisas como a computação quântica.
[Imagem: Gerd Altmann/Pixabay]

Termodinâmica quântica

Em fevereiro de 2023, o Site Inovação Tecnológica noticiou uma pesquisa na qual dois físicos garantiam que não existe uma "segunda lei do entrelaçamento", um equivalente quântico da segunda lei da termodinâmica.

Não demorou nem um ano para que a mesma dupla encontrasse brechas em seu trabalho anterior, o que fez com que chegassem à conclusão oposta, ou seja, de que existe sim uma termodinâmica quântica ou, em outras palavras, que a entropia pode de fato existir no mundo quântico.

Agora, Ray Ganardi e colegas da Universidade de Varsóvia, na Polônia, acabam de usar uma outra rota para chegar à mesma segunda conclusão, isto é, que existe uma lei análoga à segunda lei da termodinâmica para o mundo quântico. Esta segunda lei da manipulação do entrelaçamento mostra que, assim como o calor ou a energia em um regime termodinâmico idealizado, o entrelaçamento quântico também pode ser manipulado de modo reversível - na verdade, é esta afirmação a grande responsável por essas idas e vindas nesse campo ainda em aberto.

A teoria quântica e a termodinâmica podem viver em harmonia, mesmo discordando.
[Imagem: Gerado por IA]

Entrelaçamento é reversível ou não?

O entrelaçamento é uma característica central da mecânica quântica: Se duas partículas são consideradas entrelaçadas, então, se alguém medir uma propriedade de uma dessas partículas, ou induzir-lhe qualquer alteração, a medição da sua parceira entrelaçada mostrará a mesma medição ou a mesma modificação, mesmo que essas duas partículas tenham sido separadas por uma grande distância. Portanto, conhecer o estado de uma partícula fornece automaticamente informações sobre a outra.

Embora o entrelaçamento ainda pareça contraintuitivo em comparação com nossa experiência cotidiana, os físicos descobriram paralelos impressionantes com algo muito mais familiar, a termodinâmica, revelando muitas semelhanças entre as teorias do entrelaçamento quântico e da termodinâmica. Por exemplo, a "entropia de entrelaçamento" é uma característica de sistemas quânticos idealizados e silenciosos que imita o papel da entropia termodinâmica.

Mas continua sendo uma questão em aberto se existe de fato um equivalente quântico da segunda lei da termodinâmica - que determina que os processos tendem a aumentar a desordem (a entropia) e que a reversibilidade perfeita é um ideal atingível, embora raro. Nesse caso, a reversibilidade não se refere à simetria temporal, mas à capacidade de um agente externo de manipular o sistema para um estado diferente e, em seguida, manipulá-lo de volta ao seu estado inicial sem qualquer perda. Este é o principal tema atual da chamada ciência da informação quântica.

Quase todos os trabalhos envolvendo este problema se concentraram em um cenário em que duas partes distantes (frequentemente chamadas de Alice e Bob) desejam trocar informações quânticas, mas estão restritas a atuar localmente em seus sistemas quânticos e se comunicar classicamente - por exemplo, por telefone ou pela internet. Essa limitação às operações locais e comunicação clássica simplifica a situação, ou seja, o que quer que Alice e Bob façam, eles não podem afetar as propriedades intrinsecamente não locais do entrelaçamento entre seus sistemas quânticos.

"Sabe-se que, em operações locais e comunicação clássica, o entrelaçamento é irreversível," explica o professor Alexander Streltsov. "Então, a questão é: Podemos, de alguma forma, ir além das operações locais e comunicação clássica de forma significativa e recuperar a reversibilidade?"

A resposta da equipe é "sim" - desde que Alice e Bob compartilhem um sistema entrelaçado adicional: uma bateria de entrelaçamento.

Ilustração de uma bateria quântica de entrelaçamento. A bateria permite a interconversão reversível entre quaisquer dois estados entrelaçados.
[Imagem: Ray Ganardi et al. - 10.1103/kl56-p2vb]

Bateria quântica de entrelaçamento

Assim como uma bateria comum armazena energia que pode ser usada para injetar ou armazenar trabalho no contexto da termodinâmica, uma bateria de entrelaçamento injeta e armazena entrelaçamento. A bateria pode ser usada no processo de transformação de um estado quântico qualquer, e o próprio estado da bateria pode ser alterado para realizar operações. Há apenas uma regra: Não importa o que Alice e Bob façam, eles não devem diminuir o nível de entrelaçamento dentro da bateria.

E assim como uma bateria comum permite a execução de tarefas que seriam impossíveis sem ela, o mesmo acontece com uma bateria de entrelaçamento: Usando essa hipotética bateria de entrelaçamento para auxiliar na realização das operações do tipo operação local e comunicação clássica, a equipe demonstrou que qualquer transformação de entrelaçamento pode ser perfeitamente reversível.

A prova de que as manipulações do entrelaçamento em todos os estados quânticos são reversíveis deverá levar não a uma, mas a toda uma família de "segundas leis" para a manipulação do entrelaçamento, diz a equipe.

Além disso, a bateria de entrelaçamento pode encontrar aplicações fora da teoria do entrelaçamento. Por exemplo, os mesmos princípios se aplicam a sistemas que envolvem mais de duas partículas entrelaçadas, abrindo caminho para a compreensão e manipulação de redes quânticas complexas e, talvez, para o desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas altamente eficientes.

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