Os pesquisadores que trabalham em parceria com o Google podem ter acabado de usar o computador quântico do gigante da tecnologia para criar uma fase completamente nova da matéria – um cristal de tempo.
Com a capacidade de circular para sempre entre dois estados sem nunca perder energia, os cristais do tempo se esquivam de uma das leis mais importantes da física – a segunda lei da termodinâmica, que afirma que a desordem, ou entropia, de um sistema isolado deve sempre aumentar. Esses bizarros cristais de tempo permanecem estáveis, resistindo a qualquer dissolução na aleatoriedade, apesar de existirem em um estado de fluxo constante.
De acordo com um artigo de pesquisa postado em 28 de julho no banco de dados de pré-impressão arXiv, os cientistas foram capazes de criar o cristal do tempo por cerca de 100 segundos usando qubits (a versão da computação quântica do bit de computador tradicional) dentro do núcleo do processador quântico Sycamore do Google.
A existência dessa nova fase da matéria estranha, e o reino inteiramente novo de comportamentos físicos que ela revela, é incrivelmente excitante para os físicos, especialmente porque os cristais de tempo foram inicialmente previstos para existir apenas nove anos atrás.
“Foi uma grande surpresa”, disse Curt von Keyserlingk, físico da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, que não estava envolvido no estudo, ao Live Science. “Se você perguntasse a alguém há 30, 20 ou talvez até 10 anos atrás, eles não esperariam isso.”
Os cristais do tempo são objetos fascinantes para os físicos porque eles essencialmente contornam a segunda lei da termodinâmica, uma das leis mais rígidas da física. Ele afirma que a entropia (um análogo aproximado da quantidade de desordem em um sistema) sempre aumenta. Se quiser fazer algo mais organizado, você precisa colocar mais energia nisso.
Essa tendência de crescimento da desordem explica muitas coisas, por exemplo, por que é mais fácil misturar ingredientes do que separá-los novamente ou por que os fios dos fones de ouvido ficam tão emaranhados nos bolsos das calças. Também define a flecha do tempo, com o universo passado sempre mais ordenado do que o presente; assistir a um vídeo ao contrário, por exemplo, provavelmente parecerá estranho para você, principalmente porque você está testemunhando a reversão contra-intuitiva desse fluxo entrópico.
Cristais de tempo não seguem esta regra. Em vez de se aproximarem lentamente do equilíbrio térmico – “termalizando” de modo que sua energia ou temperatura seja distribuída igualmente por todo o ambiente, eles ficam presos entre dois estados de energia acima desse estado de equilíbrio, alternando entre eles indefinidamente.
Para explicar o quão incomum é esse comportamento, von Keyserlingk disse ter imaginado uma caixa lacrada cheia de moedas antes de ser sacudida um milhão de vezes. À medida que as moedas ricocheteiam e quicam umas nas outras, elas “se tornam cada vez mais caóticas, explorando todos os tipos de configurações que podem explorar” até que o tremor pare e a caixa seja aberta para revelar as moedas de forma aleatória configuração, com aproximadamente metade das moedas voltada para cima e a outra metade voltada para baixo. Podemos esperar ver esse ponto final aleatório, meio para cima e meio para baixo, independentemente da maneira como organizamos as moedas na caixa.
Dentro da “caixa” do Sycamore do Google, podemos ver os qubits do processador quântico da mesma forma que veríamos nossas moedas. Da mesma forma que as moedas podem ser cara ou coroa, os qubits podem ser 1 ou 0 – as duas posições possíveis em um sistema de dois estados – ou uma estranha mistura das probabilidades de ambos os estados, chamada de superposição. O que é estranho nos cristais de tempo, diz von Keyserlingk, é que nenhuma quantidade de agitação, ou zapping de um estado para outro, pode mover os qubits do cristal de tempo para o estado de energia mais baixa, que é uma configuração aleatória; eles só podem virá-lo de seu estado inicial para seu segundo estado e, em seguida, de volta.
“É apenas uma espécie de flip-flops”, disse von Keyserlingk. ?Não acaba parecendo aleatório, apenas fica preso e preso.
Nesse sentido, um cristal de tempo é como um pêndulo que nunca para de oscilar.
“Mesmo se você isolar totalmente fisicamente um pêndulo do universo, sem atrito e resistência do ar, ele acabará parando. E isso por causa da segunda lei da termodinâmica”, Achilleas Lazarides, físico da Universidade de Loughborough no O Reino Unido que estava entre os cientistas a descobrir pela primeira vez a possibilidade teórica da nova fase em 2015, disse ao Live Science. “A energia começa concentrada no centro de massa do pêndulo, mas há todos esses graus internos de liberdade – como as formas pelas quais os átomos podem vibrar dentro da haste – para os quais ela será eventualmente transferida.”
Na verdade, não há como um objeto de grande escala se comportar como um cristal de tempo sem soar absurdo, porque as únicas regras que permitem a existência de cristais de tempo são as regras fantasmagóricas e surreais que governam o mundo dos muito pequenos – a mecânica quântica.
No mundo quântico, os objetos se comportam como partículas pontuais e pequenas ondas ao mesmo tempo, com a magnitude dessas ondas em qualquer região do espaço representando a probabilidade de encontrar uma partícula naquele local. Mas a aleatoriedade (como defeitos aleatórios na estrutura de um cristal ou uma aleatoriedade programada nas intensidades de interação entre os qubits) pode fazer com que a onda de probabilidade de uma partícula se cancele em todos os lugares, exceto em uma região muito pequena. Enraizada no lugar, incapaz de se mover, mudar de estado ou termalizar com seu entorno, a partícula torna-se localizada.
Os pesquisadores usaram esse processo de localização como a base de seu experimento. Usando 20 tiras de alumínio supercondutor para seus qubits, os cientistas programaram cada uma em um de dois estados possíveis. Então, ao lançar um feixe de micro-ondas sobre as tiras, eles foram capazes de conduzir seus qubits a estados invertidos; os pesquisadores repetiram o experimento por dezenas de milhares de execuções e pararam em pontos diferentes para registrar os estados em que seus qubits estavam. O que eles descobriram foi que sua coleção de qubits estava oscilando entre apenas duas configurações, e os qubits não absorvendo calor do feixe de micro-ondas – eles haviam feito um cristal de tempo.
Eles também viram uma pista chave de que seu cristal de tempo era uma fase da matéria. Para que algo seja considerado uma fase, geralmente precisa ser muito estável diante das flutuações. Os sólidos não derreterão se as temperaturas ao seu redor variarem ligeiramente; nem mesmo pequenas flutuações farão com que os líquidos evaporem ou congelem repentinamente. Da mesma forma, se o feixe de micro-ondas usado para inverter os qubits entre os estados foi ajustado para ficar próximo, mas ligeiramente fora dos exatos 180 graus necessários para uma inversão perfeita, os qubits ainda assim mudaram para o outro estado.
“Não é o caso de que, se você não estiver exatamente nos 180 graus, você os embaralhará”, disse Lazarides. “Ele [o cristal do tempo] magicamente sempre vai cair um pouco, mesmo que você esteja cometendo pequenos erros.”
Outra marca registrada de passar de uma fase para outra é a quebra de simetrias físicas, a ideia de que as leis da física são as mesmas para um objeto em qualquer ponto do tempo ou espaço. Como um líquido, as moléculas da água seguem as mesmas leis físicas em todos os pontos do espaço e em todas as direções, mas resfriam a água o suficiente para que ela se transforme em gelo e suas moléculas escolherão pontos regulares ao longo de uma estrutura cristalina – ou rede – para organizar-se. De repente, as moléculas de água têm pontos preferidos no espaço para ocupar e deixam os outros pontos vazios – a simetria espacial da água foi quebrada espontaneamente.
Da mesma forma que o gelo se torna um cristal no espaço ao se romper com a simetria espacial, os cristais do tempo se tornam cristais ao se romper com a simetria do tempo. No início, antes de sua transformação na fase de cristal do tempo, a linha de qubits experimentará uma simetria contínua entre todos os momentos no tempo. Mas o ciclo periódico do feixe de microondas divide as condições constantes experimentadas pelos qubits em pacotes discretos (tornando a simetria imposta pelo feixe uma simetria de tradução no tempo discreta). Então, ao girar para frente e para trás com o dobro do período do comprimento de onda do feixe, os qubits se rompem com a simetria de translação de tempo discreta imposta pelo laser. Eles são os primeiros objetos que conhecemos que são capazes de fazer isso.
Toda essa estranheza torna os cristais do tempo ricos em novas físicas, e o controle que Sycamore fornece aos pesquisadores além de outras configurações experimentais pode torná-lo uma plataforma ideal para investigações futuras. Isso não quer dizer que não possa ser melhorado, no entanto. Como todos os sistemas quânticos, o computador quântico do Google precisa estar perfeitamente isolado de seu ambiente para evitar que seus qubits passem por um processo chamado decoerência, que acaba quebrando os efeitos de localização quântica, destruindo o cristal de tempo. Os pesquisadores estão trabalhando em maneiras de isolar melhor seu processador e mitigar o impacto da decoerência, mas é improvável que eliminem o efeito para sempre.
Apesar disso, o experimento do Google provavelmente continuará sendo a melhor maneira de estudar os cristais do tempo em um futuro próximo. Embora vários outros projetos tenham conseguido fazer o que de forma convincente parecem ser cristais de tempo de outras maneiras – com diamantes, superfluidos de hélio-3, quasipartículas chamadas magnons e com condensados de Bose-Einstein – na maior parte, os cristais produzidos nessas configurações se dissipam muito rapidamente para um estudo detalhado.
A novidade teórica dos cristais é, de certa forma, uma faca de dois gumes, já que os físicos atualmente lutam para encontrar aplicações claras para eles, embora von Keyserlingk tenha sugerido que eles poderiam ser usados como sensores de alta precisão. Outras propostas incluem o uso dos cristais para melhor armazenamento da memória ou para o desenvolvimento de computadores quânticos com capacidade de processamento ainda mais rápida.
Mas, em outro sentido, a maior aplicação dos cristais do tempo pode já estar aqui: eles permitem que os cientistas investiguem os limites da mecânica quântica.
“Ele permite que você não apenas estude o que aparece na natureza, mas realmente projete e veja o que a mecânica quântica permite e o que não permite”, disse Lazarides. “Se você não encontrar algo na natureza, isso não significa que não possa existir – nós apenas criamos uma dessas coisas.”
Publicado em 15/09/2021 17h35
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