Baterias quânticas recarregam melhor contornando lei de causa e efeito

Com informações da New Scientist - 09/11/2023

Algumas abordagens de baterias quânticas armazenam a energia em campos eletromagnéticos, enquanto outras usam um fenômeno chamado superabsorção.
[Imagem: University of Adelaide]

Baterias quânticas

As baterias quânticas surgiram como uma curiosidade da física teórica, mas logo chamaram a atenção do pessoal mais mão na massa.

Uma das razões para esse interesse está em que as teorias indicam que, graças aos efeitos quânticos, todas as células dessas baterias futurísticas serão carregadas simultaneamente, o que lhes dará uma velocidade de recarregamento imbatível.

A primeira bateria quântica experimental só foi apresentada em 2020, mas ainda está longe de se tornar prática para alimentar celulares ou carros, parecendo-se mais com o sistema de qubits supercondutores de um computador quântico. Mas o essencial é que ficou demonstrado que o conceito funciona.

Tentando avançar não apenas os conceitos, mas também os experimentos, Gaoyan Zhu e colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, decidiram verificar se um fenômeno quântico particularmente contra-intuitivo poderia desempenhar um papel na carga e na descarga dessas baterias. E deu certo, tanto teórica quanto experimentalmente.

No mundo quântico, algumas variáveis estão tanto no passado causal quanto no futuro causal uma da outra.
[Imagem: Université Libre de Bruxelles]

Ordem causal indefinida

O fenômeno bizarro explorado pela equipe fere nossa intuição porque parece desafiar algo que é muito caro ao nosso modo tradicional de ver o mundo, a ideia de causalidade, que comumente chamamos de lei de causa e efeito, ou seja, a noção muito querida de que uma coisa leva à outra.

No mundo clássico com o qual estamos acostumados, a causalidade segue apenas uma direção: Se o evento A causa o evento B, então é claro que B também não causou A. Mas, na escala quântica, pode ser impossível dizer em que direção tal causalidade vai, algo que os físicos chamam de "ordem causal indefinida".

Isso acontece porque ambas as direções de causalidade podem ser colocadas em uma superposição quântica, onde ambas e nenhuma são simultaneamente verdadeiras e só "colapsam" na ordem real quando fazemos uma medição dela.

Ou seja, a causalidade quântica questiona a sequência de causa e efeito, uma vez que os eventos quânticos independem do espaço e do tempo - ou, pelo menos, as variáveis parecem estar fora do tempo, nem no passado e nem no futuro.

No cenário tradicional, de ordem causal definida, uma bateria só pode escolher um dos dois caminhos possíveis para recarregar. Mas essa restrição pode ser removida usando uma chave quântica, que gera uma estrutura causal indefinida.
[Imagem: Gaoyan Zhu et al. - 10.48550/arXiv.2105.12466]

Na teoria funciona, na prática quase

Os físicos aplicaram essa ideia de ordem causal indefinida a dois carregadores trabalhando para colocar energia em uma bateria quântica.

Eles calcularam quanta energia a bateria ganharia e quão eficientemente ela carregaria para três protocolos: Um em que os carregadores eram conectados sequencialmente (em série), um em que os carregadores alimentavam simultaneamente a bateria (em paralelo) e um em que era impossível saber qual carregador estava funcionando porque estas duas causalidades estavam em superposição.

Os cálculos comprovaram que esta última abordagem fornece à bateria mais energia da forma mais eficiente, mesmo quando a ligação entre os dois carregadores e a bateria era relativamente fraca. Isto significa que o processo de carregamento pode funcionar bem mesmo para carregadores abaixo do ideal.

Para testar seus cálculos, a equipe realizou um experimento de prova de princípio usando fótons, comprovando que esse protocolo de causalidade indefinida pode ser implementado com um componente chamado chave quântica. No entanto, eles ainda não testaram diretamente o carregamento de uma bateria quântica completa.

Assim, para termos certeza sobre como a ausência da sequência de causa e efeito poderá influenciar o rendimento das baterias quânticas teremos que esperar por experimentos mais completos. Mas agora é mais uma questão de como montar o experimento de modo a não deixar dúvidas, e a equipe já está trabalhando nisso.

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