Nanotecnologia

Demônio de Maxwell teletransporta entropia

Com informações do MIPT - 18/01/2019

Demônio de Maxwell teletransporta entropia de um qubit
A nanomáquina conhecida como demônio de Maxwell agora também opera à distância. [Imagem: tsarcyanide/MIPT]

Demônio sem maldade

O demônio de Maxwell é um dispositivo que viola a Segunda Lei da Termodinâmica no reino quântico.

Esse "demônio" - que nada tem de diabólico - é uma nanomáquina idealizada teoricamente pelo físico James Clerk Maxwell, em 1867, capaz de manipular moléculas quentes e frias conforme elas fluem entre dois recipientes por um canal. Dando à nanomáquina a capacidade de selecionar entre as moléculas quentes e frias, ela pode fazer o calor fluir na contramão, diminuindo a entropia.

A nanotecnologia finalmente permitiu transformar a ideia de Maxwell em realidade, e vários experimentos têm demonstrado que é possível detonar com a Segunda Lei da Termodinâmica em nanoescala.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores descreveu um demônio de Maxwell "estendido", que faz seu trabalho em um sistema localizado de 1 a até 5 metros de distância do próprio demônio.

Se não se tornou exatamente diabólico, esse sim, parece ser um demônio "mágico", no sentido que Einstein um dia atribuiu ao entrelaçamento quântico, chamando-o de "ação fantasmagórica à distância". Ou, se você prefere termos mais afeitos à ciência, este é um demônio de Maxwell capaz de teletransportar suas maquinações.

De fato, não há fantasmas e nem magia envolvida. Além disso, todos os demônios quânticos de Maxwell descritos ou criados até agora tinham um alcance limitado: Eles ficavam "sentados" ao lado do objeto sobre o qual operavam.

Podendo operar à distância - e são distâncias descomunais no campo da mecânica quântica - esse dispositivo poderá ter aplicações nos computadores quânticos e em refrigeradores microscópicos, resfriando pequenos objetos com grande precisão, algo essencial para os experimentos em nanoescala.

Demônio de Maxwell teletransporta entropia de um qubit
O teletransporte quântico também já é uma realidade, mas ainda desafia as interpretações. [Imagem: GAP/University of Geneva]

Pureza demoníaca

A Segunda Lei da Termodinâmica estabelece que a entropia - isto é, o grau de desordem ou aleatoriedade - de um sistema isolado nunca diminui.

"Nosso demônio faz com que um dispositivo chamado qubit faça uma transição para um estado mais ordenado. É importante ressaltar que o demônio não altera a energia do qubit e age a uma distância enorme para a mecânica quântica," explicou Andrey Lebedev, que idealizou a nanomáquina com seus colegas do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça.

A equipe propõe que o qubit seja implementado como um átomo artificial supercondutor. Esse qubit pode ser feito de finas películas de alumínio depositadas em um chip de silício. Esse sistema é chamado de átomo artificial porque suas temperaturas estão próximas do zero absoluto, quando então se comporta como um átomo com dois estados básicos: fundamental e excitado, ou energizado - em termos de um qubit, isso é conhecido como estados "puro" e "impuro".

Se o qubit estiver em um dos dois estados básicos, mas não se souber ao certo em qual deles ele está, seu estado é chamado de "impuro". Se for esse o caso, pode-se calcular uma probabilidade clássica para fazer uma medição e flagrar o átomo artificial em um dos dois estados.

No entanto, assim como em um átomo real, o qubit pode estar em uma superposição quântica dos estados fundamental e excitado. Esse assim chamado estado puro, que desafia a noção clássica de probabilidade, está associado a mais ordem e, portanto, menos entropia. Ele só pode existir por uma fração de segundo, antes de degenerar de volta para um estado impuro.

Demônio de Maxwell teletransporta entropia de um qubit
A chamada ação fantasmagórica à distância não só é uma realidade, como também é visível. [Imagem: Aalto University/Petja Hyttinen]

Unindo o demônio à sua presa

O demônio em si é outro qubit, conectado ao primeiro por um cabo coaxial por onde trafegam sinais de micro-ondas. Uma consequência do princípio da incerteza de Heisenberg é que, uma vez conectados por uma linha de transmissão, os qubits começam a trocar fótons virtuais, que são partes da radiação de micro-ondas. Essa troca de fótons permite que os qubits troquem seus estados.

Se um estado puro é artificialmente induzido no demônio, ele pode então trocar de estado com o qubit que ele controla à distância, dotando-o de "pureza" em troca de um estado impuro de mesma energia.

Ao purificar o qubit alvo, sua entropia é reduzida, mas sua energia não é afetada. O efeito é que o demônio canaliza a entropia para longe de um sistema isolado em termos de energia - ou seja, o qubit alvo. Isso resulta na aparente violação da Segunda Lei da Termodinâmica, se o qubit alvo for considerado localmente.

Como o demônio precisa ser "inicializado" antes de cada interação com o qubit, alguma energia é inevitavelmente gasta no local onde está o demônio. Isso significa que, globalmente, a Segunda Lei permanece válida.

Refrigerador e computador quântico

Ser capaz de purificar um alvo de uma distância macroscópica é importante do ponto de vista prático. Ao contrário do estado impuro, o estado puro pode ser chaveado entre fundamental e excitado de uma maneira relativamente simples e previsível, usando um campo eletromagnético.

Essa operação pode ser útil em um computador quântico, cujos qubits precisam ser postos no estado fundamental na inicialização. Fazer isso à distância é importante, já que a presença de um demônio próximo ao computador quântico o afetaria de maneiras adversas, maneiras estas comumente enfeixadas sob o rótulo de "ruído".

Outra possível aplicação do demônio tem a ver com o seguinte: Mudar o qubit alvo para o estado puro e subsequentemente para o estado fundamental torna o ambiente ao seu redor um pouco mais frio. Isso transforma o sistema proposto em um refrigerador nanométrico capaz de resfriar partes de moléculas ou átomos com precisão.

Esse ciclo de resfriamento - ou, feito ao contrário, de aquecimento - pode ser executado repetidamente, desde que o qubit alvo retenha seu estado puro por um breve período, após o qual ele entra no estado impuro, consumindo ou emitindo a energia térmica para o ambiente. Com cada iteração, o local onde está o qubit torna-se progressivamente mais frio ou mais quente, respectivamente.

Bibliografia:

Extended quantum Maxwell demon acting over macroscopic distances
A. V. Lebedev, G. B. Lesovik, V. M. Vinokur, G. Blatter
Physical Review B
Vol.: 98, 214502
DOI: 10.1103/PhysRevB.98.214502




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