Físicos Usaram um Computador Quântico para Reverter o Fluxo do Tempo

Crédito da imagem: Pixabay

Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, trabalhando com colegas nos EUA e na Suíça, conseguiram reverter o estado de um computador quântico em uma fração de segundo. Eles também estimaram a probabilidade de um elétron no vácuo do espaço interestelar retornar espontaneamente a um estado anterior em sua própria linha do tempo.

O autor principal, Gordey Lesovik, explicou: “Este trabalho faz parte de uma série mais ampla que explora o potencial de desafiar a segunda lei da termodinâmica. Essa lei está profundamente conectada ao conceito da seta do tempo, que descreve o fluxo unidirecional do tempo, do passado para o futuro.”

Pesquisadores Desafiam a Termodinâmica com Reversão Quântica do Tempo Projetada

“Nosso primeiro artigo apresentou um conceito conhecido como máquina de movimento perpétuo local de segundo tipo. Em dezembro, exploramos como o demônio de Maxwell poderia ser usado para violar a segunda lei. Neste último estudo, abordamos a questão de um novo ângulo — gerando artificialmente um estado que se move na direção oposta à seta termodinâmica do tempo.”

A equipe queria explorar se o tempo poderia reverter espontaneamente — mesmo que brevemente — para uma única partícula. Para investigar isso, eles se concentraram na observação de um elétron solitário no vazio do espaço interestelar.

O coautor do estudo, Andrey Lebedev, do MIPT e do ETH Zurique, explicou: “Digamos que começamos a observar um elétron localizado — o que significa que temos uma ideia bastante precisa de onde ele está no espaço. A mecânica quântica não nos permite determinar sua posição exata, mas podemos definir uma pequena área onde ele provavelmente está localizado.”

“À medida que o tempo avança, o estado do elétron evolui de acordo com a equação de Schrödinger. Embora essa equação não favoreça uma direção no tempo, a posição do elétron rapidamente se torna mais incerta, fazendo com que sua distribuição de probabilidade se espalhe. Essa incerteza crescente reflete a crescente desordem — ou entropia — em sistemas maiores, como bolas de bilhar se espalhando sobre uma mesa, uma característica da segunda lei da termodinâmica.”

A Equação de Schrödinger Sugere que a Reversão do Tempo é Teoricamente Possível em Condições Cósmicas Raras

Valerii Vinokur, outro coautor do Laboratório Nacional Argonne, nos EUA, acrescentou: “Ainda assim, a equação de Schrödinger é reversível. Isso significa que, matematicamente, se aplicarmos uma transformação conhecida como conjugação complexa, ela descreveria o inverso: um elétron disperso se realocando em uma pequena área no mesmo período de tempo. Embora isso não ocorra naturalmente, é teoricamente possível por meio de uma flutuação aleatória na radiação cósmica de fundo em micro-ondas que preenche o universo.”

A equipe então calculou as chances de tal reversão, em que um elétron espalhado recupera espontaneamente seu estado localizado anterior. Suas descobertas mostraram que, mesmo se 10 bilhões de elétrons recém-localizados fossem observados continuamente durante toda a vida útil de 13,7 bilhões de anos do universo, essa reversão temporal ocorreria apenas uma vez. E mesmo assim, o elétron só retrocederia no tempo por apenas um décimo de bilionésimo de segundo.

Quando aplicado a eventos de grande escala — como envelhecimento ou erupção de vulcões — o grande número de partículas e as escalas de tempo muito maiores envolvidas tornam a reversão do tempo essencialmente impossível. É por isso que não vemos pessoas rejuvenescendo ou tinta se separando do papel.

Para explorar isso mais a fundo, os pesquisadores conduziram um experimento de quatro fases para simular a reversão do tempo — não com um elétron, mas usando um computador quântico composto por dois e, posteriormente, três qubits supercondutores.

Os quatro estágios do experimento real em um computador quântico espelham os estágios do experimento mental envolvendo um elétron no espaço e a analogia imaginária com bolas de bilhar. Cada um dos três sistemas evolui inicialmente da ordem para o caos, mas então uma perturbação externa perfeitamente sincronizada reverte esse processo. Crédito: @tsarcyanide/MIPT

Estágio 1: Ordem

O experimento começa com cada qubit definido em seu estado fundamental, ou zero. Isso representa uma configuração altamente ordenada, semelhante a um elétron confinado em um pequeno espaço ou a um conjunto de bolas de bilhar organizadas antes do início do jogo.

Estágio 2: Degradação

Em seguida, a ordem se rompe. Como a posição de um elétron se espalhando ou as bolas se espalhando em uma mesa de sinuca após a quebra, o sistema de qubits se torna cada vez mais complexo, formando um padrão de deslocamento de zeros e uns. Isso é feito executando brevemente um programa de evolução no computador quântico. Embora uma quebra semelhante possa ocorrer naturalmente a partir de interações ambientais, o uso de um programa controlado permite que os pesquisadores eventualmente a revertam.

Estágio 3: Reversão do Tempo

Neste estágio, um programa especial altera o estado do computador quântico para fazê-lo evoluir ao contrário — da desordem de volta à ordem. Esse “impulso” deliberado imita a improvável flutuação cósmica que poderia reverter o estado de um elétron, mas aqui é programado intencionalmente. Na analogia do bilhar, é como dar um empurrãozinho preciso na mesa que faz as bolas rolarem de volta ao seu triângulo original.

Estágio 4: Regeneração

O mesmo programa de evolução do Estágio 2 é executado novamente. Se o “impulso” de reversão for preciso, o sistema não entra em uma espiral ainda mais caótica — ele retrocede. Os qubits retornam ao seu estado original, como um elétron se refocalizando ou bolas de bilhar refazendo seus caminhos de volta à formação.

Os resultados foram promissores: em cerca de 85% dos testes, o sistema de dois qubits retornou com sucesso ao seu estado original. Quando um terceiro qubit foi adicionado, a taxa de sucesso caiu para cerca de 50%, principalmente devido a imperfeições de hardware. Os pesquisadores acreditam que, à medida que os computadores quânticos forem aprimorados, as taxas de erro diminuirão.

Lebedev observou: “O interessante é que esse algoritmo de reversão temporal também pode ajudar a aumentar a precisão dos computadores quânticos. Ele poderia ser adaptado para testar e depurar programas quânticos, identificando e corrigindo ruídos e erros.”

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