O entrelaçamento quântico pode compartilhar uma ligação profunda com os motores a vapor: WebCuriosos

Um ano depois praticamente descartando a possibilidadeuma dupla de físicos teóricos do Japão e da Holanda descobriram que o emaranhamento quântico tem algo fundamentalmente em comum com a física que impulsiona os motores a vapor, seca as meias e pode até manter a seta do tempo apontada numa direção.

Esta propriedade universal, se de facto existir como sugerem, governaria todas as transformações entre sistemas emaranhados e daria aos físicos uma forma de medir e comparar o emaranhamento para além da contagem de qubits – e conhecer os seus limites de manipulação de pares emaranhados.

O emaranhamento quântico, a tendência da imprecisão quântica de diferentes objetos se fundir matematicamente, é uma parte fundamental do computação quântica junto com a superposição. Quando partículas, átomos ou moléculas estão emaranhados, saber algo sobre um deles nos diz algo sobre o outro.

Na sua busca para realizar esses sonhos computacionais, os físicos têm se preocupado principalmente em como colocar duas partículas em um estado emaranhado e não perturbá-las, para que não se desintegrem e possam transmitir informações de maneira confiável através de grandes distâncias.

No entanto, tem-se pensado menos sobre se as partículas emaranhadas podem ser transformadas de um estado quântico para outro, quão difícil isso seria, quantos arranjos possíveis existem e se, em última análise, o processo de emaranhamento é reversível.

Na termodinâmica, a reversibilidade descreve processos ideais que podem ser desfeitos de uma forma que deixe o sistema – e o Universo – efetivamente inalterado. Por exemplo, transformar água em vapor com calor pode acionar um pistão, enquanto um pistão empurrando o vapor pode devolvê-lo ao estado líquido aquecido.

Se os estados emaranhados também podem ser desfeitos, mesmo em teoria, isso poderia significar outras semelhanças com termodinâmica poderia apontar para uma verdade mais profunda na mecânica quântica.

“Nosso trabalho serve como a primeira evidência de que a reversibilidade é um fenômeno alcançável na teoria do emaranhamento”, diz o físico quântico Bartosz Regula, do Centro RIKEN de Computação Quântica do Japão, que se uniu a Ludovico Lami, da Universidade de Amsterdã, no estudo.

“Isto não só tem aplicações imediatas e diretas nos fundamentos da teoria quântica, mas também ajudará a compreender as limitações finais da nossa capacidade de manipular eficientemente o emaranhamento na prática”, disse Regula. adiciona.

Processos reversíveis não podem acontecer na realidade, graças ao segunda lei da termodinâmica. Resumido em um conceito conhecido como entropiadetermina que qualquer novo estado em um sistema fechado provavelmente não terá a energia necessária para reverter completamente após uma mudança.

Quer reverter esse pistão? Você precisará extrair energia de outro lugar. Como o Universo é um sistema fechado e não pode obter energia de outro lugar, a sua entropia aumentará para sempre.

Dada a forte relação entre entropia e reversibilidade na termodinâmica, identificar um paralelo no emaranhamento poderia ter implicações profundas para a compreensão das transformações quânticas.

Para estabelecer uma “entropia” do emaranhamento, Regula e Lami tiveram de mostrar que as transformações do emaranhamento podem de facto ser reversíveis, tal como o trabalho e o calor podem ser convertidos na termodinâmica.

A sugestão de que existe algum tipo de “entropia” de emaranhamento é uma reviravolta repentina de Regula e Lami, que no ano passado publicaram um estudar em Física da Natureza que afirmava que “afinal, não havia uma segunda lei de manipulação de emaranhamento”.

O par concluído que, como o emaranhamento de partículas sempre resultaria em alguma perda desse emaranhado, que nunca poderia ser totalmente recuperado, seria impossível transformar um estado quântico, ou recurso, em outro e vice-versa.

“Podemos concluir que nenhuma quantidade isolada, como a entropia do emaranhado, pode nos dizer tudo o que há para saber sobre as transformações permitidas dos sistemas físicos emaranhados”, Lami disse na época.

Mas essas descobertas não os detiveram. Em vez disso, eles pensei que fosse sugerido que uma teoria unificada do emaranhamento, se existisse, era muito mais complexa do que as leis clássicas da termodinâmica. Então eles continuaram processando números.

A sua última oferta, utilizando transformações de emaranhamento probabilísticas, que só funcionam durante algum tempo, mas fornecem mais poder, mostra que uma estrutura reversível para o emaranhamento pode ser possível.

Mas Regula admite que demonstrar como as transformações de partículas emaranhadas podem funcionar na prática, e não apenas mostrar que é estatisticamente possível, envolve enfrentar problemas matemáticos “que escaparam a todas as tentativas de resolvê-los até agora”.

Além do mais, o trabalho da dupla é um afastamento das tentativas anteriores de caracterizar certas transformações quânticas, porque considera apenas transformações que poderiam ser alcançadas com alguma probabilidade – por mais pequenas que essas probabilidades possam ser. Como resultado, estas probabilidades podem não ser suficientes para demonstrar na prática a existência de transformações repetíveis e reversíveis de estados emaranhados.

“Compreender os requisitos precisos para que a reversibilidade seja mantida permanece, portanto, um problema aberto fascinante”, Regula diz.

O estudo foi publicado em Comunicações da Natureza.