Os cientistas desenvolveram uma nova forma de controlar sistemas quânticos que pode tornar o seu comportamento mais consistente com o movimento para trás em vez de para a frente. Pesquisa, publicada Exame físico xO controle quântico introduz protocolos que remodelam a “flecha do tempo” de um sistema, a ideia de que o tempo se move naturalmente em apenas uma direção. O método pode eventualmente apoiar novos métodos para extrair energia de sistemas quânticos e preparar estados quânticos.
Um sistema quântico, como um grupo de qubits, segue as regras da mecânica quântica e não da física clássica. Usando protocolos de controle recentemente desenvolvidos, os pesquisadores podem suprimir o aumento natural da seta do tempo ou até mesmo reverter sua direção aparente, fazendo com que os processos quânticos pareçam estar retrocedendo. Como demonstração da técnica, a equipe também construiu um mecanismo de medição que pode coletar energia do trabalho de fazer medições quânticas.
“Ao contrário dos fenómenos que nos rodeiam, a maioria das leis fundamentais da física ao nível microscópico vêem movimentos para a frente e para trás no maior tempo possível fisicamente”, diz o físico Luis Pedro García-Pintos, do Laboratório Nacional de Los Alamos. “Em outras palavras, essas leis da física são simétricas na reversão do tempo; as equações funcionam exatamente da mesma maneira se você reverter o tempo. Para sistemas quânticos, que operam nesse nível microscópico, as ferramentas que desenvolvemos podem manipular a flecha do tempo percebida, levando a maneiras novas e surpreendentes de controlá-la.”
Engenharia de comportamento quântico de reversão de tempo
Na física clássica cotidiana, o objeto medido tem pouco efeito. Os sistemas quânticos se comportam de maneira muito diferente. Sua medição muda aleatoriamente seu estado, criando naturalmente uma flecha do tempo.
Para superar esse efeito, os pesquisadores combinaram medições com respostas para criar trajetórias estocásticas reversíveis no tempo. Isso permite que os sistemas quânticos sigam caminhos que parecem consistentes com o fluxo do tempo em direções opostas.
A equipe conseguiu isso projetando um hamiltoniano de controle, uma sequência de campos e pulsos cuidadosamente projetada que reproduz os efeitos das medições quânticas. Quando incorporados a um sistema de feedback, os distúrbios causados pelas medições hamiltonianas podem cancelar, amplificar ou até mesmo corrigir. Como resultado, o sistema pode criar trajetórias consistentes com setas de tempo esticadas, borradas ou invertidas.
Uma versão quântica dos daemons de Maxwell
Este trabalho também produziu o famoso experimento mental do século 19 conhecido como “monstro de Maxwell”. Nessa situação, um observador hipotético organizaria seletivamente partículas quentes e frias, aparentemente diminuindo a entropia e desafiando a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia aumenta naturalmente ou permanece constante. (Posteriormente, a física mostrou que a segunda lei não é violada quando todas as fontes de custo termodinâmico são contabilizadas.)
O “monstro” quântico da equipe de Los Alamos usa informações sobre o estado de um sistema quântico e os resultados das medições para produzir um comportamento anômalo semelhante, revertendo efetivamente a seta do tempo normal do sistema.
Extração de energia de medições quânticas
Novos métodos de controle permitem aos pesquisadores influenciar como a energia flui para dentro e para fora dos sistemas quânticos. Essa capacidade pode alimentar um mecanismo de medição contínua que extrai energia útil diretamente do processo de monitoramento.
Nesta estrutura, as medições quânticas tornam-se um recurso termodinâmico que pode ser aproveitado para realizar tarefas, como conduzir outros processos quânticos ou armazenar energia numa bateria quântica.
Olhando para o futuro, os pesquisadores planejam demonstrar experimentalmente processos de medição baseados em Hamiltoniano para controle de feedback quântico usando qubits supercondutores. Esses sistemas suportam resposta rápida, detecção altamente eficiente e já foram usados para implementar versões quânticas dos monstros de Maxwell. Estudos futuros também aplicarão novas técnicas para desenvolver protocolos avançados de preparação de estados quânticos.
Financiamento: Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Programa de Pesquisa em Computação Científica Avançada, Projeto de Lei Beyond Moore do Programa de Simulação e Computação Avançada em Los Alamos e pela National Science Foundation.
