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Frontdaciência - T09E16 - Termodinâmica quântica e a seta do tempo

Resumo

Este episódio do Fronteiras da Ciência explora a termodinâmica quântica, uma área que investiga como as leis da termodinâmica se comportam em sistemas microscópicos onde efeitos quânticos são significativos. Os físicos Roberto Serra e Roberto Sartur explicam que, enquanto a termodinâmica tradicional lida com sistemas macroscópicos em equilíbrio, a termodinâmica quântica estuda sistemas pequenos e fora do equilíbrio, onde flutuações desempenham um papel crucial.

Os pesquisadores discutem os teoremas de flutuação, desenvolvidos na década de 1990, que permitem estender conceitos termodinâmicos a sistemas de partículas únicas. Eles abordam como a segunda lei da termodinâmica pode ser generalizada para sistemas quânticos, incluindo a possibilidade de usar correlações quânticas (como emaranhamento) para criar máquinas mais eficientes ou direcionar fluxos de calor de maneira não convencional.

Um tópico central é o experimento realizado no Brasil usando ressonância magnética nuclear com spins de carbono-13 e hidrogênio em moléculas de clorofórmio. Os pesquisadores prepararam estados inicialmente correlacionados quânticamente e observaram um fluxo de calor anômalo, onde o átomo frio doava energia para o quente sem trabalho externo, consumindo as correlações iniciais. Isso levou a uma igualdade que generaliza a segunda lei da termodinâmica para sistemas correlacionados.

A discussão também abrange o paradoxo do demônio de Maxwell e sua resolução através da conexão entre informação e termodinâmica, destacando que a informação tem realidade física e pode ser convertida em energia. Os pesquisadores explicam como experimentos quânticos modernos testam essas ideias, com aplicações potenciais em tecnologia quântica, como o resfriamento de processadores quânticos.

Por fim, os convidados refletem sobre implicações mais amplas, como a seta do tempo termodinâmica e como condições iniciais especiais (como correlações quânticas) podem temporariamente inverter a direção aparente da seta do tempo em sistemas microscópicos, embora enfatizem que aplicações práticas atuais são mais modestas, focadas em avançar a computação e tecnologia quânticas.

Indicações

Conceitos

  • Teoremas de flutuação — Relações termodinâmicas descobertas na década de 1990 que são válidas mesmo no limite de uma única partícula, governando flutuações em sistemas fora do equilíbrio e pequenos.
  • Demônio de Maxwell — Paradoxo clássico onde um ser microscópico usaria informação para separar partículas quentes e frias, aparentemente violando a segunda lei. Resolvido ao considerar o custo energético de armazenar e apagar informação.
  • Estados comprimidos — Estados quânticos da luz onde a incerteza em uma variável (como posição) é reduzida à custa de aumentar na outra (como momento), possuindo mais energia e podendo atuar como reservatórios não térmicos.

Instituições

  • Universidade Federal do ABC (UFABC) — Instituição do pesquisador Roberto Serra, que contribui para a área de termodinâmica quântica.
  • Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) — Instituição do pesquisador Roberto Sartur, onde foi realizado o experimento pioneiro com o demônio de Maxwell em sistema quântico.

Tecnologias

  • Ressonância magnética nuclear (RMN) — Técnica experimental usada para controlar e medir estados quânticos de spins nucleares, como no experimento com clorofórmio (carbono-13 e hidrogênio) descrito no episódio.
  • Computação quântica — Mencionada como área onde a termodinâmica quântica é relevante, especialmente para entender dissipação de calor e limites de resfriamento em processadores quânticos.

Linha do Tempo

  • 00:00:00 — Introdução à termodinâmica quântica e convidados — Apresentação do tema do episódio: termodinâmica quântica, que estuda a fronteira entre termodinâmica e física quântica. Apresentação dos físicos convidados Roberto Serra (UFABC) e Roberto Sartur (CBPF), e do anfitrião Jeff Açonenzon. Breve revisão das leis da termodinâmica clássica e sua aplicação a sistemas macroscópicos em equilíbrio.
  • 00:02:10 — Teoremas de flutuação e sistemas microscópicos — Discussão sobre como os teoremas de flutuação, desenvolvidos nos anos 1990, permitem estender conceitos termodinâmicos a sistemas microscópicos e fora do equilíbrio. Explicação de que, em sistemas pequenos, as médias estatísticas são menos definidas e as flutuações tornam-se importantes. A termodinâmica estocástica e quântica requerem repetição de experimentos para obter médias, analogamente a jogar uma moeda muitas vezes.
  • 00:06:14 — Fronteira entre sistemas quânticos e clássicos — Exploração da transição entre regimes clássicos e quânticos, abordando o fenômeno da decoerência. Os pesquisadores explicam que a fronteira não é bem definida; sistemas podem exibir comportamentos predominantemente clássicos com pequenos efeitos quânticos que ainda oferecem vantagens tecnológicas. A segunda lei da termodinâmica permanece válida mesmo para partículas quânticas únicas, mas flutuações ganham importância.
  • 00:08:29 — Aplicações e tecnologias quânticas emergentes — Discussão sobre vertentes de pesquisa em termodinâmica quântica, incluindo o design de dispositivos microscópicos e o estudo de ‘baterias quânticas’. Menção a propostas teóricas de usar estados comprimidos de luz (reservatórios não térmicos) para criar máquinas com eficiência superior à de Carnot, embora com críticas sobre o custo energético da preparação desses estados. A conexão entre informação e termodinâmica é destacada.
  • 00:12:24 — Demônio de Maxwell e a física da informação — Explicação do paradoxo do demônio de Maxwell e sua resolução através da termodinâmica da informação. O demônio usa informação para separar partículas quentes e frias, aparentemente violando a segunda lei. A solução mostra que armazenar e apagar informação consome energia, reconciliando o processo com a termodinâmica. Menção ao experimento brasileiro que implementou um demônio de Maxwell em sistema quântico usando spins nucleares.
  • 00:16:33 — Experimento com spins nucleares e correlações quânticas — Descrição detalhada do experimento realizado com ressonância magnética nuclear usando spins de carbono-13 e hidrogênio em clorofórmio. Os pesquisadores preparam dois cenários: um com spins descorrelacionados (quente e frio) e outro com spins inicialmente correlacionados quânticamente. No segundo caso, observou-se um fluxo de calor anômalo onde o spin frio doava energia para o quente, consumindo as correlações iniciais sem trabalho externo.
  • 00:23:28 — Generalização da segunda lei e igualdade termodinâmica — Apresentação de uma igualdade descoberta no experimento que generaliza a segunda lei da termodinâmica para sistemas inicialmente correlacionados. Esta igualdade relaciona fluxo de calor, correlação inicial e produção de entropia, conectando quantidades termodinâmicas com teoria da informação. A descoberta reforça a ligação entre termodinâmica e informação no regime quântico.
  • 00:24:49 — Seta do tempo termodinâmica e implicações cosmológicas — Discussão sobre a seta do tempo termodinâmica, tradicionalmente associada ao aumento da entropia. O experimento mostra que, em sistemas com correlações quânticas especiais, a direção aparente do fluxo de calor (e thus da seta do tempo) pode ser temporariamente invertida em uma pequena região. Especula-se brevemente sobre analogias cosmológicas, como a criação de correlações durante a expansão do universo, mas enfatiza-se que o experimento é em escala de laboratório.
  • 00:27:16 — Aplicações práticas e futuro da área — Discussão sobre aplicações potenciais em tecnologia quântica, como o direcionamento de fluxo de calor para resfriar partes de processadores quânticos. Os pesquisadores destacam a importância da termodinâmica quântica para estabelecer limites fundamentais em dispositivos microscópicos, assim como a termodinâmica clássica fez para motores e computação. A área combina termodinâmica, informação quântica e fundamentos da física.

Dados do Episódio

  • Podcast: Fronteiras da Ciência
  • Autor: Fronteiras da Ciência/IF-UFRGS
  • Categoria: Science
  • Publicado: 2018-06-18T13:00:00Z

Referências

Dados do Podcast

Transcrição

[00:00:00] Este é o programa Fronteiras da Ciência da Rádio da Universidade, onde discutiremos

[00:00:08] os limites entre o que é ciência e o que é mito.

[00:00:11] Hoje, no Fronteiras da Ciência, nós vamos falar sobre termodinâmica quântica, que,

[00:00:15] como o nome diz, é uma área que está na fronteira entre a termodinâmica e a física

[00:00:20] quântica, onde físicos brasileiros têm feito importantes contribuições.

[00:00:24] Então, hoje nós vamos falar com dois desses físicos, o Roberto Serra, da Universidade

[00:00:28] Federal do ABC, e o Roberto Sartur, do Centro Brasileiro de Precisas Físicas, do CBPF.

[00:00:33] Conversando com eles, eu e o Jeff Açonenzon, do Instituto de Física da URX.

[00:00:37] Há séculos, a gente convive com as leis da termodinâmica, que tenta colocar limites,

[00:00:42] restrições para todas as coisas.

[00:00:44] A gente tem a primeira lei, basicamente conservação de energia, a terceira, que trata da impossibilidade

[00:00:48] de atingir o zero absoluto.

[00:00:50] A segunda lei, ela já é um pouco mais complicada, porque existem várias maneiras de apresentar,

[00:00:55] existem várias formulações.

[00:00:56] A gente pode dizer que se tem um sistema isolado, a sua entropia nunca diminui, ou o calor nunca

[00:01:02] passa espontaneamente de um corpo mais frio de menor temperatura para um mais quente de

[00:01:07] maior temperatura.

[00:01:08] Essas leis são bem estabelecidas, e elas valem para sistemas clássicos macroscópicos.

[00:01:14] Macroscópicos significa que o sistema é composto por um grande número de átomos

[00:01:18] ou moléculas, grande muito mesmo, né, 10 a 23 são números que a gente não consegue

[00:01:22] nem intuir muito o que significam.

[00:01:25] E sistemas em equilíbrio.

[00:01:27] E recentemente uma nova fronteira passou a ser explorada, num limite de sistemas que

[00:01:33] violam essas condições, sistemas bastante pequenos, onde a gente espera que efeitos

[00:01:38] quânticos possam ser fortes.

[00:01:40] Então o que a gente espera quando sai desse regime de grandes sistemas, sistemas clássicos,

[00:01:47] em princípio a gente esperaria que as leis da termodinâmica permanessem válidas, ou

[00:01:51] a gente esperaria violação nesses casos?

[00:01:54] O que diria o físico médio?

[00:01:57] Físico estatístico médio, que é o meu caso, diria não, saiu do regime do 10 a 23, do

[00:02:02] N infinito, do limite termodinâmico, não é mais termodinâmica.

[00:02:06] Então o que pode acontecer quando a gente vai para sistemas pequenos?

[00:02:10] Na verdade essa exploração dos limites da termodinâmica em pequena escala conecta várias

[00:02:16] questões.

[00:02:18] Por um lado, o desenvolvimento tecnológico de dispositivos microscópicos, a gente quer

[00:02:24] entender quais são os limites desses dispositivos, e por outro lado teve um desenvolvimento teórico

[00:02:29] muito interessante na década de 90, que foi a descoberta dos teoremas de flutuação, que

[00:02:34] mostram relações termodinâmicas que são válidas mesmo no limite de uma única partícula,

[00:02:40] e você recupera igualdades em sistemas fora do equilíbrio, então são leis que regem

[00:02:45] flutuações em sistemas fora do equilíbrio e sistemas pequenos, e essas relações de

[00:02:50] flutuação então nos possibilitaram definir limites similares à segunda lei da termodinâmica

[00:02:56] nesses sistemas microscópicos, associado à irreversibilidade desses sistemas ou a quantidade

[00:03:02] de trabalho que você consegue ou não extrair numa máquina microscópica, então se por

[00:03:06] um lado teve essa necessidade e esse interesse de estudar, limites termodinâmicos de sistemas

[00:03:12] microscópicos, dado a evolução tecnológica nessa direção da miniaturização, por outro

[00:03:18] lado essas ferramentas matemáticas nos propiciaram isso, acho que isso deu um grande avanço

[00:03:23] para essa área.

[00:03:24] A termodinâmica tradicional lida com conceitos que são essencialmente estatísticos, temperatura,

[00:03:32] uma média da energia cinética do sistema, a própria entropia que é associada com as

[00:03:36] configurações microscópicas, e esse caráter estatístico é perdido um pouco quando,

[00:03:42] por exemplo, você vai fazer um experimento esse de testar as relações de flutuação,

[00:03:47] você vai pegar um polímero, prender uma ponta, vai pegar uma pinça ótica, essa ponta vai

[00:03:53] ficar uma molinha que está oscilando e você vai fazer medidas, o que é temperatura, onde

[00:03:58] é que está a média, a média está na história do sistema, como é que vocês lidam com essas

[00:04:04] quantidades?

[00:04:05] Se estudam várias repetições da mesma realização experimental, por exemplo, a gente pode descrever

[00:04:11] a termodinâmica de uma partícula brauniana através desses teoremas de flutuação, então

[00:04:16] a temperatura vai estar ligada com a temperatura do ambiente em que a partícula brauniana

[00:04:22] está, sei lá, um grão de pólen sobre uma gota de água, dependendo da agitação molecular

[00:04:28] você vai ver o grão de pólen se movendo mais ou menos freneticamente, e aí você

[00:04:34] pode filmar o movimento daquele grão de pólen, repetir várias vezes as mesmas condições

[00:04:40] iniciais e depois tomar uma média sobre a posição média do grão de pólen, sobre

[00:04:45] o trabalho médio realizado e isso vai satisfazer os teoremas de flutuação, então a noção

[00:04:50] da termodinâmica estocástica está lá, e aí na mecânica quântica também é a mesma

[00:04:55] história, a gente repete o experimento várias vezes.

[00:04:58] Embora a mecânica quântica trate às vezes de um sistema único, mas quando você tenta

[00:05:05] fazer previsão sobre um único sistema, por exemplo, uma única partícula, um único elétrico,

[00:05:09] você não consegue, você tem que repetir o meu experimento, minhas condições várias

[00:05:15] vezes e aí que entram as flutuações, aí que entram os conceitos de temperatura.

[00:05:21] Uma analogia seria, eu quero estimar a probabilidade de obter cara ou coroa, eu posso ou jogar

[00:05:28] um milhão de moedas para cima e ver a fração de caras ou posso pegar uma moeda e jogar

[00:05:33] um milhão de vezes, essencialmente eu acho o mesmo resultado.

[00:05:36] E o que acontece, por exemplo, eu parto de um sistema muito grande, onde a gente não

[00:05:42] tem efeitos quânticos e vou diminuindo o meu sistema, onde é que é a fronteira entre

[00:05:49] esses dois regimes, onde que eu passo do sistema macroscópico sem efeitos quânticos, clássico

[00:05:55] bem comportado, existe uma física, uma termodinâmica para esses sistemas macroscópicos, outra

[00:06:01] física para os sistemas macroscópicos e no meio do caminho eu tenho algo novo, é

[00:06:06] só uma passagem suave, eu tenho uma transição abrupta entre esses dois regimes, existe um

[00:06:11] regime mesoscópico interessante no meio, como é que funciona essa passagem?

[00:06:14] Acho que essa pergunta retoma uma pergunta mais antiga, que é onde está a fronteira

[00:06:18] entre a mecânica quântica e a mecânica clássica, as pessoas estudaram muito essa

[00:06:22] transição entre a mecânica clássica e a mecânica quântica ao estudar como é

[00:06:26] que um sistema quântico dissipa energia para o meio ambiente, que está associado ao fenômeno

[00:06:30] que a gente chama de decoerência, e durante muito tempo alguns pesquisadores tentaram

[00:06:35] buscar durante décadas, na verdade, alguma medida que te dissesse se aquele sistema

[00:06:42] é quântico ou é clássico, e hoje o que a gente sabe é que você pode explorar diferentes

[00:06:47] nuances e mesmo num sistema que tenha muito pouco do que a gente chama de coerência quântica,

[00:06:53] que está ligado ao fato de você ter estado de superposição, um átomo que pode estar

[00:06:58] em dois lugares ao mesmo tempo, por exemplo, mesmo que ele tenha muito pouco desses efeitos,

[00:07:03] ele ainda assim pode nos trazer alguma vantagem em alguma aplicação no que a gente chama

[00:07:08] agora de tecnologia quântica, então essa fronteira ela não é bem definida e eventualmente

[00:07:13] você pode ter um sistema que se comporta muito parecido com o sistema clássico, mas tem só alguma

[00:07:19] coisinha diferente ali que está ligado ao sistema quântico, você pode ter um sistema que é realmente

[00:07:23] muito diferente do sistema clássico, que é um sistema quântico coerente e preparado num estado

[00:07:29] à baixa temperatura, num sistema muito bem controlado, e agora pensando nessa questão da

[00:07:33] termodinâmica, a fronteira também não é muito evidente, por exemplo, a gente percebe que sob um

[00:07:39] conjunto de condições a segunda lei da termodinâmica ela é válida para uma única partícula quântica,

[00:07:44] então todas as leis da termodinâmica funcionam nesse limite pequeno, o que acontece é que

[00:07:51] flutuações tem um papel muito importante, porque como os sistemas são pequenos, os valores médios

[00:07:55] não são mais bem definidos, e agora o que a comunidade que trabalha nessa área está tentando entender

[00:08:00] é quais são as diferenças, será que a gente consegue usar alguma característica da mecânica

[00:08:05] para obter uma vantagem? Será que a gente consegue fazer uma máquina mais eficiente? Será que a gente consegue superar algum

[00:08:11] limite usando algum ingrediente novo que não estava previsto na termodinâmica tradicional como

[00:08:17] correlações não clássicas, como emaranhamento? Essa é a próxima pergunta, quais são as novas

[00:08:22] tecnologias? Existem especulações? O que vocês escrevem nos projetos e nas conclusões dos ativos?

[00:08:29] Tem várias vertentes nessa área, então tem essa vertente que é tentar entender os limites da

[00:08:33] tecnologia quântica, dessa tecnologia em escala microscópica, então esse sistema vai dissipar

[00:08:39] calor etc, qual vai ser a lei de dissipação de calor? Será que vai seguir a lei de Fourier, as coisas

[00:08:46] que a gente já conhece? Será que esses ingredientes novos e efeitos associados ao sistema ser pequeno

[00:08:51] vão ter um papel importante e aí para fazer o design desses dispositivos a gente vai ter que levar

[00:08:56] isso em conta? Essa seria uma vertente. Tem essa outra vertente que é, poxa, será que eu consigo usar

[00:09:01] um efeito quântico se eu tiver uma bateria quântica, uma bateria com poucos átomos que

[00:09:06] se comporte segundo as regras da mecânica quântica? Não é uma bateria que funciona e não funciona

[00:09:10] ao mesmo tempo? É, poderia ser também, mas a ideia é que ela funcione sim, mas ela poderia ser preparada

[00:09:16] num estado de superposição, por exemplo, o que não seria bom para guardar energia, isso já é uma

[00:09:21] diferença, você vai ter que tomar cuidado para não colocar a bateria num estado carregado e

[00:09:26] descarregado, isso não seria bom e aí a pergunta que as pessoas tentam responder é será que eu

[00:09:30] posso carregar essa bateria mais rapidamente ou mais eficientemente? E aí tem vários trabalhos

[00:09:36] teóricos que falam, não, olha, dá para usar amarenhamento para fazer esse processo mais

[00:09:40] eficiente ou então dá para usar reservatórios não térmicos. Em mecânica quântica a gente consegue

[00:09:46] preparar um estado da luz que a gente chama de estado comprimido. É muito conhecido em mecânica

[00:09:51] quântica o princípio de incerteza de Heisenberg e quando a gente descreve a luz em termos dos seus

[00:09:58] elementos básicos que são os fótons, que são os quantas de energia da luz, esses fótons têm

[00:10:04] quadraturas que são associadas à posição e momento, não é exatamente a posição e momento

[00:10:09] porque é quadratura, nesse sistema não se pode medir posição e velocidade ao mesmo tempo, mas é

[00:10:14] possível preparar um estado que a gente chama de estado comprimido em que você diminui a incerteza

[00:10:19] numa dessas duas variáveis e esses estados comprimidos eles têm mais energia, então um laser

[00:10:25] pode funcionar como um reservatório térmico nessa escala microscópica, ele esquenta uma

[00:10:31] substância de trabalho que pode ser, por exemplo, um íon, um único átomo, poderia usar um laser

[00:10:36] então em estado comprimido para obter uma máquina que tem uma eficiência superior a eficiência de

[00:10:40] Carnot, então existe essa proposta, o experimento ainda não foi feito, mas pode também não ser justo

[00:10:46] comparar uma máquina desse tipo com a máquina de Carnot porque a máquina de Carnot funciona com

[00:10:50] os laboratórios térmicos, quer dizer, o limite de uma máquina num sistema quântico pode ser

[00:10:55] diferente se a gente usar uma fonte de energia diferente de um reservatório térmico e a gente

[00:10:59] tem acesso a essas fonte de energia no laboratório, então produzir um feixe de luz comprimido é algo

[00:11:05] que é feito nos laboratórios de ótica quântica. E esse sistema seria reversível? Não, ele produz

[00:11:10] entropia e aí a segunda lei continua valendo, mas ela vale de uma forma generalizada, se você

[00:11:16] comparar a eficiência dessa máquina com a eficiência de Carnot, considerar um reservatório

[00:11:23] térmico e depois comprimir o reservatório térmico, você consegue extrair mais energia, só que quando

[00:11:28] você comprime o reservatório térmico… O que seria comprimir? No caso do reservatório térmico, o que que seria comprimir?

[00:11:31] Seria supor que você tem um sistema quântico com uma distribuição de energia, como seria a distribuição

[00:11:39] de energia do reservatório térmico e aí você comprime a incerteza na posição ou no momento desse

[00:11:45] sistema quântico. Só que quando você faz isso, você tem um gasto energético para preparar esse estado

[00:11:51] comprimido. E aí algumas pessoas dizem que isso é fazer gol com a mão, porque você está colocando mais

[00:11:55] energia no combustível e é natural que você também extraia mais energia depois do seu ciclo

[00:12:01] termodinâmico. Então assim, você está diminuindo de alguma maneira a entropia, será que o pedaço de

[00:12:06] entropia que falta não está num excesso de entropia gasto na preparação do sistema? Essa é a discussão que está

[00:12:13] na temperatura. Por exemplo, essa ideia é uma ideia de 2014, 2015. Aí tem uns críticos que tentam apontar

[00:12:18] exatamente isso. Um exemplo particularmente interessante dessas diferenças entre a descrição

[00:12:24] microscópica da termodinâmica e a descrição macroscópica é o demônio de Maxwell. Quando a

[00:12:28] termodinâmica estava ainda na sua infância, o Maxwell escreveu uma carta para um colega questionando

[00:12:34] a seguinte situação. Imagine que um ser microscópico que tivesse acesso à velocidade de partículas no

[00:12:42] gás. Você poderia ter uma divisão no meio do contêiner em que esse gás está contido. Esse ser

[00:12:48] poderia escolher se ele deixa moléculas desse gás com uma certa velocidade passar para um lado do

[00:12:54] contêiner e abaixo dessa velocidade passar para o outro lado do contêiner. Porque a gente associa

[00:12:59] maiores velocidades com maiores temperaturas, menores velocidades com menores temperaturas. Ele

[00:13:03] está separando então as quentes, as rápidas, as frias, as lentas. Exatamente. Ele diminuiria a entropia

[00:13:11] do sistema. Você tem um sistema total com uma grande entropia. Quando você separou você tem um

[00:13:16] sistema um pouco mais organizado. Porque ele começa com um sistema homogêneo. Todas as moléculas

[00:13:22] misturadas em um estado de alta entropia. E à medida que ele vai separando ele vai diminuindo.

[00:13:30] Essa entropia aumentando como você sai uma organização. Aparentemente esse ser violaria a

[00:13:35] segunda lei da termodinâmica e foi apelidado de demônio pelo Lorde Kelvin. É porque no final do

[00:13:41] processo ele termina com metade do sistema a temperatura baixa, a outra metade em uma

[00:13:45] temperatura alta. Que a segunda lei diz que espontaneamente não acontece. E como a gente não

[00:13:51] vê no argumento aonde que o demônio está escondendo o jogo. Parece um espontâneo processo.

[00:13:57] Exatamente. E a solução desse problema aparece quando você leva em conta que o demônio usou

[00:14:02] informação para fazer essa separação dessas moléculas. Bom, informação precisa de um aparato

[00:14:09] para ser reservada. A gente precisa de uma memória para guardar a informação. E você também precisa

[00:14:13] de um aparato físico para processar a informação. E o ponto é que se você quiser se repetir esse

[00:14:18] processo muitas e muitas vezes, em algum momento você vai ter que apagar a memória do demônio a

[00:14:22] não ser que ele tenha uma memória infinita. Para você poder gravar mais coisas na memória dele.

[00:14:26] E aí o chamado exorcismo do demônio de Maxwell, o exorcismo definitivo surge quando um pesquisador

[00:14:32] da IBM verifica que para apagar a informação de uma memória não interessa a tecnologia que

[00:14:38] você usa para fazer a memória. Como esse é um processo logicamente irreversível, você vai

[00:14:43] dissipar energia. E o mínimo de energia que você dissipa tem um valor que está associado com o que

[00:14:49] o demônio conseguiria extrair de trabalho também desses temas. Por exemplo, no caso da máquina de

[00:14:54] zila. E aí isso acaba resolvendo o paradoxo do demônio de Maxwell. Mas o que é interessante é

[00:14:59] ter acesso a informação microscópica é algo não trivial. Se você tiver acesso à informação

[00:15:04] microscópica, você consegue manipular o sistema. Então quando Maxwell propôs isso,

[00:15:09] isso era um experimento que ninguém nunca pensava naquela época ser possível fazer experimento com

[00:15:14] um único átomo. Ou manipular os estados de um único átomo e etc. Até porque o próprio conceito de

[00:15:20] átomo foi ali que o pessoal se convenceu. Alguns nem acreditavam. Achavam que o importante era umas

[00:15:26] energias. Mas tendo acesso a essa informação microscópica, a gente pode usar isso. Por exemplo,

[00:15:31] você poderia usar o demônio de Maxwell para extrair trabalho num sistema se você tivesse agora um

[00:15:36] segundo reservatório térmico numa temperatura menor do que o reservatório no qual as partículas lá

[00:15:42] do gás estão em contato. E aí você apaga a memória do demônio usando esse reservatório que

[00:15:47] tem temperatura menor. Então você conseguiria fazer, já tem essas propostas teóricas, não foi

[00:15:52] feito experimentalmente ainda, fazer uma máquina movida à informação. Você pode usar o demônio

[00:15:56] de Maxwell com o motor de uma máquina. Em particular, a verificação de um demônio de Maxwell num

[00:16:00] sistema quântico foi feita aqui no Brasil nos laboratórios do CBPF usando spins nucleares. Então

[00:16:06] foi a primeira vez que um demônio de Maxwell implementado num sistema quântico foi testado

[00:16:11] e caracterizado. Antes desse experimento, havia outros experimentos, mas eles estavam no contexto

[00:16:16] clássico. Embora fossem sistemas microscópicos. O interessante é que isso demonstra que a informação

[00:16:22] tem uma realidade física sujacente. Você consegue transformar a informação em energia. E medir.

[00:16:29] E vamos passar para o experimento de vocês. O que vocês fizeram?

[00:16:33] O experimento foi realizado utilizando um sistema de ressonância magnética nuclear. Nesse sistema

[00:16:39] você pode controlar o estado quântico dos spins nucleares. Nós utilizamos um sistema de dois spins

[00:16:47] um meio, um carbono e um hidrogênio. Preparamos o estado inicial de cada spin nuclear. A preparação

[00:16:55] foi bem precisa. Então o sistema de vocês é um átomo de hidrogênio e um átomo de cagoto?

[00:17:01] São os spins nucleares, não o átomo todo. São os dois spins nucleares. O utilizado foi o carbono

[00:17:06] 13. O núcleo do carbono 13 tem o spin meio e o núcleo do hidrogênio e o spin meio que é um próton

[00:17:11] só. Então nós preparamos o estado inicial do spin do hidrogênio de maneira que pudesse caracterizar

[00:17:16] uma temperatura característica para o sistema quântico do hidrogênio. Como é que vocês definem

[00:17:21] nesse caso a temperatura? O spin meio só tem dois níveis de energia, então você sempre pode seguir

[00:17:26] uma distribuição de Boltzmann ali. No sistema de ressonância magnética nuclear, diferente do sistema

[00:17:31] de fótons, seria como você propôs anteriormente. Joga uma moeda para cima de cada vez. Ou no sistema

[00:17:38] de Rm, você joga todas as madras para cima e mede no final. Se tem 30% cara, 70% coroa ou se tem uma

[00:17:46] temperatura. 50% cara, 50% coroa, temperatura infinita. Exatamente o que seria o estado térmico

[00:17:54] que aparece lá nos livros textos de mecânica estatística de um sistema de spin meio não

[00:18:00] interagente preparado naquela temperatura. Sim, qual a temperatura que me dá essa distribuição?

[00:18:06] Exatamente. Eu só não entendi se vocês têm um único, vocês têm um conjunto de desses núcleos

[00:18:15] de carbono e hidrogênio e vocês fazem a medida num único. Ou vocês têm um ensemble mesmo? A

[00:18:21] amostra fica dentro de um tubinho de ensaio, então a molécula utilizada foi a molécula de clorofórmio,

[00:18:27] que aí tem o carbono e o hidrogênio. E como a amostra é bem diluída, as moléculas ficam distantes

[00:18:32] o suficiente para você desprezar a interação entre elas. Então você tem muitas cópias desse

[00:18:37] sistema de dois núcleos. Mas a medida é uma soma de medidas independentes. É uma média espacial.

[00:18:44] O sinal da medida já é uma média sobre as cópias. Em fórtula você mediria um por um e depois

[00:18:50] contaria e mediria as probabilidades. Em ressonância magnética e núcleo não, você tem diretas

[00:18:57] probabilidades. A gente consegue fazer tomografia de estado quântico, que é medir a matriz densidade

[00:19:02] do sistema total ou de parte do sistema. E aí vocês preparam esse sistema numa condição inicial

[00:19:09] No caso desse experimento, a gente queria então estudar troca de calor entre dois núcleos.

[00:19:15] Então a gente prepara o sistema em duas situações. Numa situação a gente tem então um núcleo quente,

[00:19:21] outro núcleo frio. Eles estão descorrelacionados, eles não têm nenhuma correlação, estão preparados

[00:19:26] em estados térmicos e deixa eles interagirem por uma interação que emula exatamente o que seria

[00:19:32] um contato térmico. Aí depois de algum tempo, o que você vê é que os dois núcleos estão na mesma

[00:19:38] situação, eles trocam energia de tal maneira que o núcleo frio esquenta, o núcleo quente esvia e

[00:19:44] eles ficam os dois no estado morto. O esperado. Aí a outra situação, que é algo que já havia

[00:19:51] sido previsto teoricamente, mas que ninguém nunca tinha feito nenhum experimento para verificar,

[00:19:55] os dois núcleos são preparados num estado correlacionado, mas é um estado correlacionado

[00:20:01] de maneira especial. Então essa correlação é o que a gente chama de correlação não clássica,

[00:20:05] ela tem algum efeito do que a gente chama de coerência. Então, por exemplo, se você tem duas moedas

[00:20:12] presas por uma haste e joga de tal maneira que as duas caras estão para cima e joga essas moedas

[00:20:18] para cima e você sabe que uma das moedas deu coroa, com certeza a outra será coroa porque

[00:20:23] elas estão presas por uma haste. Seria caso de correlação forte. E é uma correlação forte,

[00:20:27] mas é uma correlação clássica. Quando você tem um sistema quântico correlacionado, a diferença é

[00:20:32] bem mais sutil, mas a correlação de um sistema quântico é bem mais forte do que um sistema

[00:20:36] clássico. Nos permite fazer protocolos de comunicação quântica, como criptografia e teleporte,

[00:20:42] e basicamente o estado da moeda seria definido quando você medisse ela, quando você olhasse

[00:20:48] para ela. Se a moeda fosse quântica você jogaria ela para cima, ela cairia no chão num estado que

[00:20:53] poderia ser cara ou coroa com uma certa probabilidade, mas ela não está definido. E na hora que você

[00:20:59] olhou para a moeda, na hora que você mediu a moeda, você vai definir qual é o estado das duas ao mesmo tempo.

[00:21:04] Além disso, você pode escolher medir num estado intermediário. Então você pode escolher diferentes

[00:21:10] observáveis para medir. Você não precisa escolher somente cara ou coroa. Você pode escolher medir

[00:21:15] uma mistura de 70% cara e 30% coroa, que é o que a gente chama mecânica quântica de base de medida.

[00:21:20] Então no experimento tem esse estado inicial que é quânticamente correlacionado e se você olhar só

[00:21:28] para os átomos, você vai ver ele no estado térmico. Se você ignorar o outro átomo, ele está no mesmo

[00:21:32] estado térmico que estava da situação anterior, naquela mesma temperatura. Se olha para outro átomo,

[00:21:37] ele também está no estado térmico da mesma forma. Quando os dois átomos então interagem, o que você

[00:21:43] observa é que o átomo quente fica mais quente, o átomo frio fica mais frio e a correlação existente

[00:21:50] entre eles vai diminuindo. Então essa correlação é consumida e ela é o combustível para acontecer

[00:21:55] esse fluxo de calor anômalo, em que você tem o átomo frio doando energia para o átomo quente,

[00:22:03] mas você não está fazendo um refrigerador, você não está gastando energia para fazer isso,

[00:22:07] você não está realizando trabalho sobre o sistema para fazer isso. O processo acontece espontaneamente

[00:22:11] dado a interação que realiza a termalização. Porque no sistema clássico, você supõe que o seu

[00:22:19] estado inicial seja descorrelacionado. Exatamente. Então é como se você estivesse preparando o

[00:22:25] sistema num estado de baixa entropia e depois a evolução espontânea do sistema é no sentido

[00:22:31] de aumentar essa entropia. O que vocês estão fazendo então é o contrário. Vocês começam com

[00:22:35] um estado com alguma correlação, ou seja, com um excesso de entropia e aí o sistema descarrega essa

[00:22:42] entropia. Localmente você não perceberia isso. Se você olhar só para um átomo, só para outro

[00:22:48] átomo, o estado marginal dele, o estado dele separado lá do resto do universo, é o mesmo

[00:22:54] interno que ele tinha na situação anterior. Então se você olhar localmente para cada um dos

[00:22:58] átomos, você nem não perceberia a entropia local é a mesma. O que tem a mais é essa correlação.

[00:23:04] Isso já havia sido previsto em alguns artigos da literatura, já havia alguma discussão sobre a

[00:23:10] influência dessa condição inicial e o efeito de correlações quânticas na troca de calor de

[00:23:16] sistemas microscópicos. E o que foi interessante é que, além de verificar isso, na literatura

[00:23:23] tem algumas desigualdades. E aí nesse trabalho nós encontramos uma igualdade, que é uma espécie de

[00:23:28] generalização da segunda lei da termodinâmica para sistemas inicialmente correlacionados.

[00:23:33] Então a gente tem uma igualdade que relaciona fluxo de calor, essa correlação inicial do sistema e

[00:23:39] produção de entropia conforme o sistema evolui. Essa igualdade que nós encontramos relaciona a

[00:23:46] média de quantidade termodinâmicas diretamente com quantidade de teoria de informação. Então

[00:23:52] a conexão entre teoria de informação e termodinâmica tem ficado cada vez mais evidente

[00:23:56] nesses trabalhos ligados à termodinâmica quântica. Essa é uma outra vertente muito forte na área.

[00:24:02] Embora estados que essas correlações possam existir não são nenhuma coisa nova. Tem sistemas

[00:24:10] magnéticos, estados singletes, são estados correlacionados. O pessoal trabalha com isso e tem

[00:24:17] sistemas cujo estado fundamental são estados emaranhados. No experimento nós criamos um

[00:24:23] estado correlacionado especialmente para reverter a seta do tempo. A seta do tempo se associa em

[00:24:30] geral o crescimento da entropia com uma direcionalidade do tempo. Essa segunda lei

[00:24:35] diz que a entropia só pode aumentar, então o tempo tem uma direção preferencial. Poderia

[00:24:40] interpretar a entroposada de vocês como uma inversão temporal? Vocês fizeram uma máquina

[00:24:44] microscópica para isso? Então a brincadeira que a gente faz com essa história da seta

[00:24:49] termodinâmica do tempo é dizer o seguinte, quer dizer, você pode definir o tempo de várias maneiras,

[00:24:54] o tempo psicológico, etc. Então no laboratório o tempo sempre evolui na mesma direção. Infelizmente.

[00:25:01] Infelizmente, né? Senão poderemos ficar mais novos. Mas o que é interessante é o seguinte, enquanto todos

[00:25:07] os objetos que estão no laboratório estão evoluindo no tempo nesse sentido de aumentar a

[00:25:13] entropia e tal, numa direção, a gente tem um pequeno pedacinho lá do laboratório que foi preparado

[00:25:19] numa condição especial diferente, que se você quisesse definir a direção do tempo baseado nesses

[00:25:27] conceitos de termodinâmica, você diria para esse cara o tempo está indo na direção contrária do

[00:25:33] resto do laboratório. Então a seta do tempo termodinâmico assim definida seria um conceito

[00:25:38] positivo que depende das condições iniciais que você tem, né? E aí as pessoas tentam extrapolar

[00:25:44] essas coisas para objetos cosmológicos, por exemplo, né? Essa é a minha última pergunta, né? Se a gente

[00:25:50] podia especular um pouco, porque se diz que o universo teria sido, no momento do Big Bang,

[00:25:56] o estado inicial seria um estado com valor inicial muito baixo de entropia, né? O instrumento de vocês

[00:26:03] diz alguma coisa, eu poderia criar um universo com estado inicial de alta entropia e ver as coisas

[00:26:08] atrás, por exemplo? Desses trabalhos teóricos que discutiam essa questão aí da inversão da

[00:26:14] seta do tempo, uma das discussões que está presente é que com a expansão do universo você pode

[00:26:18] ir criando correlações, por exemplo, no nosso caso a gente tem um sistema correlacionado e dado o tipo

[00:26:25] de interação que a gente tem lá, essa correlação acaba sendo transformada num transporte anômalo de

[00:26:31] calor, né? Quando essa correlação ela é completamente consumida, esse transporte anômalo também ele para,

[00:26:37] nessa inversão da seta do tempo ela tem um prazo de validade, ela tem um tempo de duração, né? No caso

[00:26:42] de experimentos são milissegundos, né? No caso então do universo você poderia criar correlações

[00:26:48] entre os objetos e eventualmente você poderia ter algum tipo de interação em algum momento que

[00:26:54] converte-se essas correlações num decréscimo de entropia, né? E aí você teria algum efeito cosmológico

[00:27:00] e tal, mas é só uma especulação muito grande, né? Mas o nosso experimento é feito em escala quântica,

[00:27:07] ou seja, nada que vá servir para se fazer uma máquina do tempo eventualmente. Por enquanto não, né?

[00:27:16] A grande aplicação assim que se espera para esse tipo de coisa são aplicações em tecnologia quântica,

[00:27:23] então vamos supor que você tenha um processador quântico, né? Tem várias empresas trabalhando

[00:27:29] para construir um computador quântico e você pretende direcionar um fluxo de calor numa dada

[00:27:35] ou para resfriar uma parte do processador, então você poderia usar esse tipo de mecanismo,

[00:27:40] então cria um estado correlacionado e usa esse cara para direcionar o fluxo de calor para fora

[00:27:46] do processador, né? Então essa seria uma possível aplicação desse tipo de fenômeno que a gente está

[00:27:51] observando, né? Bem mais modesta do que uma máquina do tempo. O mais legal é que esse trabalho,

[00:27:57] ele é o pioneiro nesse sentido de poder medir, observar e caracterizar um sistema, uma coisa que

[00:28:06] já estava sendo cogitado, né? Teoricamente. Teoricamente. E a gente pode investigar essas

[00:28:13] teorias mais de fortuação, com escala quântica, né? E várias outras coisas que antigamente não

[00:28:19] eram acessíveis, né? Então muita coisa interessante e nova está surgindo desses trabalhos, né? Que podem

[00:28:29] ser úteis em tecnologias e que também podem aprimorar uma nova área de pesquisa. O pessoal

[00:28:36] sempre fica falando que os grandes problemas da física, um deles é a unificação da quântica com

[00:28:41] a gravidade, né? Mas a unificação com a termodinâmica é tão interessante quanto, né? Nesse momento

[00:28:47] fundamental para poder entender e até mesmo desenvolver essa tecnologia microscópica que vem

[00:28:54] sendo chamada de tecnologia quântica, né? Então do mesmo jeito que a termodinâmica estabeleceu os

[00:28:58] limites, né? Para os motores de carro e etc. Até os limites da computação, né? Porque processar a

[00:29:04] informação de sipe energia, né? Basicamente o limite da duração da bateria do nosso notebook

[00:29:09] é devido ao fato da gente ter que resfriar o processador, né? Então a ventoinha do computador

[00:29:15] está gastando mais energia da bateria, né? Então a termodinâmica aí de novo colocando um limite

[00:29:21] severo, né? Na verdade essa é a nossa motivação para estudar essa área, né? E da mesma maneira que

[00:29:26] o paradoxo do demônio de Maxwell só foi resolvido quando se misturou teoria de informação com a

[00:29:32] termodinâmica, agora o que está acontecendo é a gente tentar estudar o processo termodinâmico em

[00:29:37] escala quântica usando teoria de informação quântica. Então hoje a gente conversou no

[00:29:41] Instituto de Física da Ciencias sobre termodinâmica quântica. Os nossos convidados

[00:29:45] foram o Roberto Serra da Universidade Federal da BC e o Roberto Sartur do Centro Brasileiro de

[00:29:50] Pesquisas Físicas, né? O CBPF. Conversando com eles, eu, Jeff, e a Suanezom do Instituto de Física da URGES.

[00:29:56] O Programa Fronteiras da Ciência é um projeto do Instituto de Física da URGES.

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