Somente alguns objetos quânticos podem formar a base de uma máquina de refrigeração autossustentada.
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| imagem meramente ilustrativa |
por John Matson
Modelo teórico de uma geladeira é formado apenas por duas ou três partículas quânticas
Podem chamá-lo de “pequeno congelador”. Um grupo de físicos teóricos propôs a estrutura física para o que poderá vir a ser a menor geladeira que se pode imaginar. Para obter o resfriamento cada aparelho seria formado por apenas um bit quântico, ou qubit, e seriam necessárias somente uma ou duas partículas quânticas adicionais para realizar a tarefa.
Os físicos teóricos Noah Linden e Sandu Popescu, juntamente com o aluno de pós-graduação Paul Skrzypczyk, da University of Bristol na Inglaterra, descreveram esse conceito num artigo a ser publicado no Physical Review Letters. Se puder ser implementado, o trabalho poderá ser aplicado no preparo de qubits ─ geralmente átomos simples usados em sistemas de informação quântica ─, desde que inicializados em um estado quântico conhecido.
Em princípio, o modelo é simplesmente uma versão em escala reduzida das geladeiras robustas encontradas na cozinha de praticamente todas as casas do mundo, com um motor qubit para controlar o processo de refrigeração e uma bobina qubit de troca de calor para dissipar o calor retirado do interior da geladeira (qubit a ser resfriado) para o ambiente externo.
Exatamente como no caso dos bits clássicos em dispositivos eletrônicos de uso diário, cada qubit pode ser 0 ou 1, de acordo com o nível de energia representado por cada qubit. (Graças às peculiaridades fundamentais da mecânica quântica, um qubit também pode estar num estado de superposição, existindo simultaneamente como 0 e 1.) Cada qubit requer uma certa quantidade de energia ─ conhecida como espaçamento entre os níveis de energia ─ para passar de 0 para 1. (Um conceito de geladeira ainda menor concentra o motor e a bobina em uma única partícula com três níveis de energia, conhecidos como qutrit).
Na descrição teórica do grupo de Bristol, crucialmente o espaçamento do nível de energia do qubit a ser resfriado e do qubit do motor da geladeira se juntam para criar exatamente o espaçamento do nível de energia da “bobina de troca de calor” da geladeira. Em outras palavras, para excitar (aquecer) o motor e o interior da geladeira é necessária exatamente a mesma energia que para excitar somente a bobina. Devido a essa condição, os dois estados ─ bobina ou motor e interior excitados ─ podem se alternar facilmente, tornando um cenário tão provável quanto o outro, mantendo-se todo o restante igual.
Mas o que acontece se o restante não for igual? Colocar cada um dos qubits em seu próprio ambiente térmico, cada um a uma temperatura diferente, desequilibra o sistema. “Pode ocorrer uma transição para um lado ou para outro, mas pode-se impor um viés à transição, colocando os qubits em diferentes temperaturas”, comenta Popescu. Colocar o qubit do motor num ambiente quente aumenta a probabilidade de que esse qubit permaneça no seu estado excitado. Isso aumenta a probabilidade de que todo o sistema atinja o estado com o motor e o interior da geladeira excitados, que o estado somente com a bobina excitada.
Essa mudança das condições iniciais significa que para transições do sistema entre estados de mesma energia, é mais provável passar o qubit refrigerado de seu estado excitado para o fundamental (frio) que vice-versa. Essa mesma transição faz o qubit da bobina de troca de calor passar de seu estado fundamental para o estado excitado; efetivamente, o sistema transfere energia do qubit refrigerado para o qubit da bobina, que dissipa energia para seu próprio ambiente aquecido.
Embora a proposta se baseie ─ de acordo com a linguagem da física quântica ─, em estados fundamentais e excitados, os pesquisadores acreditam que é absolutamente correto pensar no resultado nos termos “quente” e “frio” da termodinâmica clássica. “Ser mais frio significa ter energia mais baixa”, observa Popescu; porque a geladeira reduz a energia do qubit refrigerado, e a temperatura do qubit também diminui. Uma vez que o qubit de congelamento está a uma temperatura mais baixa que o ambiente, ele deve retirar calor de suas vizinhanças, adverte Liden. “Como sabemos que isso funciona como uma geladeira comum? A geladeira realmente retira calor de seu ambiente aquecido”.
Desde que o ambiente térmico do motor permaneça mais quente que o ambiente morno da bobina o processo se repete de forma autossustentada, diminuindo ainda mais a temperatura do qubit refrigerado. “O problema é que quando você precisa escolher entre dois estados de energia, você desvia o sistema na direção de um deles e é isso que gradualmente resfria o qubit”, observa Popescu. Em princípio, o refrigerador pode resfriar arbitrariamente próximo do zero absoluto.
Alguns pesquisadores já projetaram e até construíram sistemas de refrigeração pequenos como esse, lembra Leonard Schulmam, professor de ciências da computação do California Institute of Technology, mas o que diferencia esse novo trabalho é o fato de ele ser autocontido ─ os qubits não precisam receber instruções de fora do sistema. Segundo Schulmam, “se o ambiente externo mantiver dois ambientes térmicos convenientes, em duas temperaturas diferentes, ele se manterá assim, “cozinhando”, ou melhor, “esfriando” indefinidamente.
Dois físicos que implementaram experimentalmente um congelador de três qubits usando pulsos externos de radiofrequência para induzir o processo de resfriamento acreditam que a nova abordagem é promissora. “É uma ótima ideia teórica”, avalia Osama Moussa, aluno de pós-doutorado do Instituto de Computação Quântica (ICQ) da University of Waterloo. “O sistema tem certo número de parâmetros; basta apenas determiná-los e o sistema evolui por conta própria”.
Tecnicamente falando, pode ser difícil obter um sistema ─ ou construir um ─ com os parâmetros exatos, como os espaçamentos entre os níveis de energia que se compensam perfeitamente, e uma interação entre os três qubits que junte seus níveis de energia. Segundo Raymond Laflamme, físico da Waterloo e diretor do ICQ, “é simplesmente um sistema extremamente raro, que permite obter essa interação de três corpos”. Mas isso não significa que os físicos experimentais se deixarão intimidar pelo desafio publicado nesse novo estudo teórico. “Se você sabe que alguma coisa é possível, fica muito mais fácil ir ao seu encontro”, completa Laflamme.
Embora a proposta se baseie ─ de acordo com a linguagem da física quântica ─, em estados fundamentais e excitados, os pesquisadores acreditam que é absolutamente correto pensar no resultado nos termos “quente” e “frio” da termodinâmica clássica. “Ser mais frio significa ter energia mais baixa”, observa Popescu; porque a geladeira reduz a energia do qubit refrigerado, e a temperatura do qubit também diminui. Uma vez que o qubit de congelamento está a uma temperatura mais baixa que o ambiente, ele deve retirar calor de suas vizinhanças, adverte Liden. “Como sabemos que isso funciona como uma geladeira comum? A geladeira realmente retira calor de seu ambiente aquecido”.
Desde que o ambiente térmico do motor permaneça mais quente que o ambiente morno da bobina o processo se repete de forma autossustentada, diminuindo ainda mais a temperatura do qubit refrigerado. “O problema é que quando você precisa escolher entre dois estados de energia, você desvia o sistema na direção de um deles e é isso que gradualmente resfria o qubit”, observa Popescu. Em princípio, o refrigerador pode resfriar arbitrariamente próximo do zero absoluto.
Alguns pesquisadores já projetaram e até construíram sistemas de refrigeração pequenos como esse, lembra Leonard Schulmam, professor de ciências da computação do California Institute of Technology, mas o que diferencia esse novo trabalho é o fato de ele ser autocontido ─ os qubits não precisam receber instruções de fora do sistema. Segundo Schulmam, “se o ambiente externo mantiver dois ambientes térmicos convenientes, em duas temperaturas diferentes, ele se manterá assim, “cozinhando”, ou melhor, “esfriando” indefinidamente.
Dois físicos que implementaram experimentalmente um congelador de três qubits usando pulsos externos de radiofrequência para induzir o processo de resfriamento acreditam que a nova abordagem é promissora. “É uma ótima ideia teórica”, avalia Osama Moussa, aluno de pós-doutorado do Instituto de Computação Quântica (ICQ) da University of Waterloo. “O sistema tem certo número de parâmetros; basta apenas determiná-los e o sistema evolui por conta própria”.
Tecnicamente falando, pode ser difícil obter um sistema ─ ou construir um ─ com os parâmetros exatos, como os espaçamentos entre os níveis de energia que se compensam perfeitamente, e uma interação entre os três qubits que junte seus níveis de energia. Segundo Raymond Laflamme, físico da Waterloo e diretor do ICQ, “é simplesmente um sistema extremamente raro, que permite obter essa interação de três corpos”. Mas isso não significa que os físicos experimentais se deixarão intimidar pelo desafio publicado nesse novo estudo teórico. “Se você sabe que alguma coisa é possível, fica muito mais fácil ir ao seu encontro”, completa Laflamme.
Um comentário:
bueno la verdad me suena rarísimo, pero claro como dices al final si uno sabe que lago es posible, es mas fácil encontrar la forma de hacerlo. Besitos muchos
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