Por uma fração de segundo, uma partícula simulada voltou no tempo

Por , em 14.05.2019

Vamos imaginar o seguinte cenário: uma pessoa abre vários ovos crus em uma tigela e começa a batê-los com um garfo. O sistema fica cada vez mais caótico conforme os ovos são misturados e batidos. Mas e se a pessoa mudasse de ideia e decidisse que preferia que os ovos voltassem a ser inteiros, com a casca perfeita e a clara e a gema ainda em seus estados originais? Seria possível reorganizar o sistema? Seria possível fazer uma molécula de ovo voltar no tempo?

Seria possível “desbater” um ovo fazendo ele voltar no tempo?

Um grupo de físicos quânticos anunciaram no início de 2019 que eles conseguiram criar um algoritmo de computador que age como uma “fonte de juventude”. Usando um computador quântico IBM, eles conseguiram desfazer o envelhecimento de uma única partícula elementar por um milionésimo de segundo. 

Esta vitória comprova a enorme dificuldade em interferir com a passagem do tempo. “Nós demonstramos que reverter o tempo mesmo que em apenas UMA partícula quântica é uma tarefa intransponível para a natureza realizar sozinha”, explica Valerii Vinokur ao New York Times. Ele é um dos cinco pesquisadores do trabalho, que foi desenvolvido no Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.

“O sistema composto por duas partículas é ainda mais irreversível, imagine os ovos inteiros – compostos por bilhões de partículas – que quebramos para preparar um omelete”, diz ele.

Nós estamos submetidos à segunda lei da termodinâmica, que diz que a desordem e complexidade só aumentam em um sistema fechado como o universo. Assim, os átomos de um ovo batido nunca vão se reorganizar naturalmente para voltar a formar um ovo inteiro, em parte porque existem muitas mais formas desses átomos se misturarem do que retornarem aos seus lugares originais.

O princípio da incerteza, que está no cerne da mecânica quântica, afirma que, a qualquer momento, a localização ou a velocidade de uma partícula subatômica pode ser especificada, mas não ambas. Como resultado, uma partícula como um elétron, ou um sistema deles, é representada por uma entidade matemática chamada de função de onda, cuja magnitude é uma medida da probabilidade de encontrar uma partícula em um lugar ou condição particular.

A função de onda se estende ao longo do espaço e do tempo. A lei que descreve sua evolução, conhecida como a equação de Schrödinger, é igualmente válida para frente ou para trás. Mas fazer uma função de onda ir em sentido inverso não é coisa simples.

Bola de bilhar

Como colocar uma bola no seu lugar original conhecendo apenas a direção ou então a força necessária?

Dr. Vinokur comparou isto com o desafio de enviar uma bola de bilhar em alta velocidade de volta para onde ela começou. Parece fácil: basta acertar com um taco. Mas se for uma bola quântica, o princípio da incerteza entra em ação: você pode saber a força com que tem que acertar a bola, ou em qual direção acertar, mas não sabe os dois ao mesmo tempo.  “Por causa do princípio da incerteza, a bola quântica nunca retornará ao ponto de origem”, disse Vinokur.

Na mecânica quântica, o bola é o equivalente as ondas. Fazer retroceder uma onda é muito mais difícil do que uma bola. É preciso reverter as fases das ondas e transformar cristas em vales e assim por diante, uma tarefa que a natureza não pode realizar por conta própria.

Computador quântico

Processador quântico da IBM

Neste trabalho foi utilizado um computador quântico. Ele se difere do computador clássico porque o clássico processa séries de zeros e uns (bits), enquanto os computadores quânticos trabalham com qubits, que podem ser zero e um simultaneamente, contanto que ninguém confira a resposta até o final dos cálculos.

Lesovik e seus colegas usaram um computador quântico IBM para tentar reverter uma onda. O computador usado tem apenas 5 qubits (versões de 16 e 20 qubits também existem), mas para manter as coisas simples, eles usaram apenas dois ou três qubits.

Experimento em 4 passos

O experimento de reversão do tempo tem quatro passos. Primeiro os qubits foram colocados em um estado inicial simples que imitava “um átomo artificial”, disse Vinokur. Além disso, os qubits estavam emaranhados, o que Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância”. Ou seja, o que quer que acontecesse com um qubit, afetava as medições do outro (ou dois, dependendo de quantos foram implantados).

Em seguida, a equipe usou uma série de pulsos de rádio de microondas nos qubits, que os levaram de um estado simples para mais complexidade. Depois de um milionésimo de segundo, os cientistas então interromperam essa fase, chamada de “programa de evolução”, e trataram os qubits com outro pulso de microondas, para reverter sua fase e prepará-los para se tornarem mais jovens.

Finalmente, a equipe religou o programa de “evolução”. E os qubits voltaram ao seu alinhamento original – de volta ao seu próprio passado. Com efeito, eles ficaram um milionésimo de segundo mais novos.

Este algoritmo quase sempre funcionava. Quando os cálculos envolviam dois qubits, havia uma taxa de 85% de sucesso. Quando três qubits foram usados, a taxa era de apenas 50%. Os autores acreditam que isso acontece por conta de imperfeições no computador quântico e pela tendência dos qubits saírem de sincronia quando seus números aumentavam.

Em nota para a imprensa, o Instituto de Física e Tecnologia afirmou que no futuro, para atingir as ambições dos matemáticos quânticos, serão necessários computadores com centenas de qubits. [The New York Times, MIPT]

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