Não existe uma segunda lei do entrelaçamento, comprovam físicos

Com informações da Universidade de Amsterdã - 20/02/2023

O ciclo de Carnot é um modelo geral de produção de energia que pode ser aplicado a qualquer fonte de energia térmica. Concebido pelo físico francês Sadi Carnot em 1824, quando apenas motores a vapor estavam disponíveis, ele pode igualmente ser aplicado hoje em usinas de energia nuclear ou solar.
[Imagem: UVA]

O poder da segunda lei

A segunda lei da termodinâmica é frequentemente descrita como uma das poucas leis físicas absoluta e inquestionavelmente verdadeira: A lei afirma que a quantidade de entropia - uma propriedade física - de qualquer sistema fechado nunca pode diminuir.

E ela acrescenta uma "flecha do tempo" às ocorrências cotidianas, determinando quais processos são reversíveis e quais não são. Isso explica por que um cubo de gelo colocado em um forno quente sempre derreterá e por que o gás comprimido sempre sairá de seu recipiente (e nunca voltará) quando uma válvula for aberta para a atmosfera.

Apenas estados de entropia e energia iguais podem ser reversivelmente convertidos de um para o outro. Essa condição de reversibilidade levou à descoberta de processos termodinâmicos, como o (idealizado) ciclo de Carnot, que representa um limite superior para a eficiência com que se pode converter calor em trabalho, ou vice-versa, fazendo um sistema fechado ciclar por diferentes temperaturas e pressões.

Nossa compreensão desse processo sustentou o rápido desenvolvimento econômico durante a Revolução Industrial e está na base do funcionamento de todos os motores, sistemas de refrigeração, caldeiras etc, que movimentam nossa economia.

Entropia quântica

A beleza da segunda lei da termodinâmica é sua aplicabilidade a qualquer sistema macroscópico, independentemente dos detalhes microscópicos.

Um desses detalhes pode ser o emaranhamento, ou entrelaçamento quântico, uma conexão quântica que faz com que componentes separados do sistema compartilhem propriedades. Curiosamente, o entrelaçamento quântico compartilha muitas semelhanças profundas com a termodinâmica, embora os sistemas quânticos sejam estudados principalmente no regime microscópico. Tanto que os físicos propuseram uma noção de "entropia do entrelaçamento", que imita precisamente o papel da entropia termodinâmica, pelo menos para sistemas quânticos idealizados, que seriam perfeitamente isolados do seu ambiente.

"O entrelaçamento quântico é um recurso fundamental que sustenta grande parte do poder dos futuros computadores quânticos. Para fazer uso efetivo dele, precisamos aprender a manipulá-lo," justifica o professor Ludovico Lami, da Universidade de Amsterdã.

Uma questão fundamental é se o entrelaçamento poderia sempre ser manipulado reversivelmente, em analogia direta com o ciclo de Carnot. Fundamentalmente, essa reversibilidade precisaria se manter, pelo menos em teoria, mesmo para sistemas quânticos ruidosos (mistos), que não estivessem perfeitamente isolados do seu ambiente.

A hipótese é se seria possível estabelecer uma "segunda lei do entrelaçamento", incorporada em uma única função que generalizaria a entropia do entrelaçamento e governaria todos os protocolos de manipulação do entrelaçamento. Essa conjectura aparece em uma famosa lista de problemas em aberto na teoria da informação quântica.

O estado quântico w3 é irreversível: Para preparar sete cópias dele a partir do entrelaçamento puro, são necessários cerca de sete bits de emaranhamento (ebits), mas uma vez feito isso, os sete ebits investidos não podem ser recuperados. De fato, para recuperar sete ebits seriam necessárias aproximadamente doze cópias do estado.
[Imagem: Ludovico Lami et al. - 10.1038/s41567-022-01873-9]

Não há segunda lei do entrelaçamento

O professor Lami e seu colega Bartosz Regula (Universidade de Tóquio) agora jogaram por terra de vez essa hipótese, demonstrando que a manipulação do entrelaçamento quântico é fundamentalmente irreversível, acabando com qualquer esperança de estabelecer uma segunda lei do entrelaçamento.

Este novo resultado se baseou na construção de um estado quântico particular que é muito "caro" de se criar usando o entrelaçamento puro. A criação desse estado sempre resultará na perda de parte desse entrelaçamento, uma vez que o entrelaçamento investido nunca poderá ser totalmente recuperado. Como resultado, é inerentemente impossível transformar esse estado em outro e vice-versa. Diga-se de passagem, a existência de tais estados tão "únicos" era desconhecida até a realização deste experimento.

Como a abordagem usada não pressupõe quais protocolos de transformação exatos são usados, ela exclui a reversibilidade do entrelaçamento em todas as configurações possíveis. E aplica-se a todos os protocolos, supondo que eles próprios não gerem um novo entrelaçamento.

"Usar operações emaranhadas seria como administrar uma destilaria na qual álcool de outro lugar é secretamente adicionado à bebida. Nós podemos concluir que nenhuma quantidade única, algo como uma entropia do emaranhamento, pode nos dizer tudo o que há para saber sobre as transformações permitidas de sistemas físicos emaranhados. A teoria do emaranhamento e a termodinâmica são, portanto, governadas por conjuntos de leis fundamentalmente diferentes e incompatíveis," disse Lami.

Complicação bem-vinda

Isso pode significar que descrever o entrelaçamento quântico não é tão simples quanto os físicos esperavam.

Mas isso não é todo ruim: Em vez de ser uma desvantagem, a complexidade muito maior da teoria do entrelaçamento, em comparação com as leis clássicas da termodinâmica, pode nos permitir usar o entrelaçamento para alcançar feitos que de outra forma seriam completamente inconcebíveis.

"Por enquanto, o que sabemos com certeza é que o emaranhamento esconde uma estrutura ainda mais rica e complicada do que a que lhe havíamos atribuído," concluiu Lami.

Mais tópicos