As leis fundamentais que regem o fluxo de calor – especificamente, que o calor sempre se move de objetos mais quentes para objetos mais frios – podem exigir revisão no nível quântico. Novas pesquisas demonstram a aparente reversão deste princípio usando uma molécula de ácido crotônico, forçando potencialmente uma reavaliação da segunda lei da termodinâmica.
Reversão do fluxo de calor quântico
Pesquisadores liderados por Dawei Lu, da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul, na China, manipularam os estados quânticos dos átomos de carbono dentro de uma molécula de ácido crotônico (um composto contendo carbono, hidrogênio e oxigênio). Esses átomos funcionavam como qubits – as unidades fundamentais da computação quântica – e eram controlados por radiação eletromagnética. Em vez de o calor fluir dos qubits mais quentes para os mais frios, como esperado, a equipe projetou um fluxo reverso, empurrando o calor dos qubits de temperatura mais baixa para os mais quentes.
Este resultado desafia a termodinâmica clássica, onde tal processo exigiria entrada de energia externa. No entanto, no domínio quântico, a equipa aproveitou um recurso chamado “coerência” – uma forma de informação quântica – para alimentar eficazmente esta transferência de calor retroativa. Segundo Lu, “Ao injetar e controlar essa informação quântica, podemos reverter a direção do fluxo de calor”.
O papel da temperatura aparente
A aparente violação da segunda lei não é necessariamente uma falha na própria lei, mas antes uma limitação da sua formulação tradicional. A segunda lei foi estabelecida no século 19, antes do desenvolvimento da física quântica. Para conciliar esta discrepância, Lu e seus colegas calcularam uma “temperatura aparente” para cada qubit. Esta temperatura ajustada leva em conta propriedades quânticas como a coerência, restaurando a validade da segunda lei ao garantir que o calor flua de temperaturas aparentes mais altas para temperaturas mais baixas.
Recursos Quânticos e Termodinâmica
Roberto Serra, da Universidade Federal do ABC, no Brasil, sugere que propriedades quânticas como a coerência devem ser consideradas um recurso termodinâmico, semelhante à forma como o calor aciona uma máquina a vapor. A manipulação desses recursos microscópicos permite aparentes violações da termodinâmica tradicional. “Mas as leis usuais da termodinâmica foram desenvolvidas pensando que não temos acesso a esses estados microscópicos. Isso é apenas uma aparente violação porque temos que escrever novas leis considerando que temos esse acesso”, explica Serra.
Implicações para a computação quântica
A equipe de pesquisa pretende traduzir este experimento de reversão de calor em um método prático para controle térmico de qubits. Isto tem implicações significativas para a computação quântica, onde a gestão eficiente do calor é crucial. Estratégias de resfriamento aprimoradas poderiam melhorar a estabilidade e o desempenho dos qubits, e até mesmo informar o desenvolvimento de computadores convencionais, já que o superaquecimento continua sendo uma limitação fundamental em todos os sistemas de computação.
Esta investigação destaca a profunda interação entre a informação quântica e a termodinâmica, sugerindo que a nossa compreensão do fluxo de calor deve evoluir para acomodar as regras únicas que governam o mundo quântico.
