Físicos revertem o tempo usando um computador quântico

Por , em 13.03.2019

Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (Rússia), em colaboração com cientistas dos EUA e da Suíça, inverteram o tempo em um experimento quântico.

O que eles fizeram foi devolver o estado de um computador quântico uma fração de segundo ao passado.

Os cientistas também calcularam a probabilidade de um elétron no espaço interestelar vazio viajar espontaneamente de volta ao seu passado recente – descobrindo que isso ocorreria apenas uma vez em toda a história do universo.

“Este é um de uma série de artigos sobre a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica. Essa lei está intimamente relacionada com a noção da flecha do tempo que postula a direção unidirecional do tempo, do passado para o futuro”, disse o principal autor do estudo, Gordey Lesovik.

Segunda lei da termodinâmica

A maioria das leis da física não faz distinção entre o futuro e o passado. Tomemos como exemplo uma equação que descreve a colisão e o rebote de duas bolas de bilhar idênticas. Se um close desse evento for gravado com uma câmera e reproduzido ao contrário, ele ainda pode ser representado pela mesma equação.

No entanto, imagine gravar uma bola branca batendo em uma pirâmide de bolas de bilhar que se espalham em todas as direções. Nesse caso, é fácil distinguir o cenário da vida real da reprodução reversa.

Afora nossa compreensão da segunda lei da termodinâmica, que determina que um sistema isolado permaneça estático ou evolua sempre para o caos, a maioria das outras regras da física não impede que as bolas de bilhar sejam “remontadas” em uma pirâmide, ou que um chá infundido retorne ao saquinho, ou que a lava retorne a um vulcão.

Esses fenômenos não são observados no mundo real porque exigiriam que um sistema isolado assumisse um estado mais ordenado sem qualquer intervenção externa, o que supostamente contraria essa segunda lei.

Elétron de volta ao passado

Os físicos quânticos de Moscou decidiram verificar se o tempo poderia se inverter espontaneamente, pelo menos para uma partícula individual e por uma pequena fração de segundo. Isto é, em vez de bolas de bilhar, eles examinaram um elétron solitário no espaço interestelar vazio.

“Suponha que o elétron esteja localizado quando começamos a observá-lo. Isso significa que temos certeza sobre sua posição no espaço. As leis da mecânica quântica nos impedem de conhecê-la com absoluta precisão, mas podemos delinear uma pequena região onde o elétron está localizado”, disse um dos autores do estudo, Andrey Lebedev.

A evolução do estado do elétron é governada pela equação de Schrödinger. Embora não faça distinção entre o futuro e o passado, a região do espaço que contém o elétron se espalha muito rapidamente. Ou seja, o sistema tende a se tornar mais caótico, e a incerteza da posição do elétron cresce. Isso é análogo à crescente desordem em um sistema de grande escala – como em uma mesa de bilhar – devido à segunda lei da termodinâmica.

“No entanto, a equação de Schrödinger é reversível”, explica Valerii Vinokur, outro autor do artigo, do Argonne National Laboratory, nos EUA. “Matematicamente, isso significa que sob uma certa transformação chamada conjugação complexa, a equação descreverá uma ‘mancha de elétron’ localizada no passado em uma pequena região do espaço no mesmo período de tempo”.

Por que não vemos isso no cotidiano?

Embora esse fenômeno não seja observado na natureza, teoricamente poderia acontecer devido a uma flutuação aleatória no fundo de micro-ondas cósmico que permeia o universo.

A equipe então resolveu calcular a probabilidade de observar um elétron localizando-se espontaneamente em seu passado recente.

Os cientistas descobriram que, durante toda a vida do universo – 13,7 bilhões de anos -, mesmo observando 10 bilhões de elétrons recém-localizados a cada segundo, a evolução inversa espontânea do estado da partícula só aconteceria uma vez. Além disso, o elétron não viajaria mais do que um décimo de bilionésimo de segundo no passado.

Fenômenos de larga escala envolvendo bolas de bilhar retornando à uma pirâmide e vulcões impelindo lava obviamente se desdobrariam em escalas de tempo muito maiores e apresentariam um número impressionante de elétrons e outras partículas. Isso explica por que não observamos pessoas idosas ficando mais jovens na vida real.

Experimento com computação quântica

Por fim, os pesquisadores tentaram reverter o tempo em um experimento de quatro estágios. Em vez de um elétron, eles observaram o estado de um computador quântico feito de dois e mais tarde três elementos básicos chamados de qubits supercondutores.

No estágio 1, cada qubit foi inicializado no estado fundamental, denotado como zero. Essa configuração altamente ordenada correspondia a um elétron localizado em uma região pequena (ou bolas de bilhar antes de serem estouradas).

No estágio 2, conforme o elétron foi espalhado por uma região cada vez maior do espaço, ou a pilha de bolas foi quebrada na mesa de sinuca, o estado dos qubits se tornou um padrão cada vez mais complexo de zeros e uns.

No terceiro estágio, um programa especial modificou o estado do computador quântico de tal forma que evoluiu “para trás”, do caos para a ordem. Esta operação é semelhante à flutuação aleatória de fundo de micro-ondas no caso do elétron, mas, desta vez, foi deliberadamente induzida.

No quatro e último estágio, o programa de evolução do segundo estágio foi rodado novamente. Se o estágio 3 foi bem-sucedido, o resultado visto não foi o caos, mas sim uma rebobinagem do estado dos qubits de volta ao passado, como um elétron sendo localizado em um ponto no passado ou bolas de bilhar retrocedendo suas trajetórias.

Resultados

Os pesquisadores descobriram que, em 85% dos casos, o computador quântico de dois qubits de fato retornou ao estado inicial.

Quando três qubits estavam envolvidos, mais erros aconteceram, resultando em uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%.

Segundo os autores, esses erros se devem a imperfeições no computador quântico. À medida que dispositivos mais sofisticados forem criados, essa taxa de erro deve cair.

Curiosamente, o próprio algoritmo de inversão de tempo pode ser útil para tornar os computadores quânticos mais precisos. “Nosso algoritmo pode ser atualizado e usado para testar programas escritos para computadores quânticos e eliminar erros”, concluiu Lebedev.

A pesquisa foi publicada na revista científica Scientific Reports. [Phys]

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