Experimento volta no tempo usando computador quântico

Com informações do MIPT -  15/03/2019

Um experimento feito em um computador quântico demonstrou que é possível voltar no tempo. [Imagem: tsarcyanide/MIPT]

Na contramão do tempo

Uma equipe de físicos da Rússia, Suíça e EUA usou um computador quântico da IBM para demonstrar que é possível reverter a chamada "seta do tempo", a sensação que temos de que o tempo caminha inexoravelmente do passado para o futuro, sem possibilidade de volta.

Além de retornar o estado do computador quântico uma fração de segundo para o passado, eles também calcularam a probabilidade de um elétron no espaço interestelar vazio viajar espontaneamente de volta ao seu passado recente.

"Este é um de uma série de artigos sobre a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica. Essa lei está intimamente relacionada com a noção da seta do tempo que postula a direção unidirecional do tempo: do passado para o futuro.

"Nós começamos descrevendo uma chamada máquina de movimento perpétuo local do segundo tipo [em 2016]. Então, em dezembro [de 2018], publicamos um artigo que discute a violação da segunda lei por meio de um dispositivo chamado demônio de Maxwell. O artigo mais recente aborda o mesmo problema de um terceiro ângulo: Criamos artificialmente um estado que evolui em uma direção oposta àquela da flecha termodinâmica do tempo," explicou Gordey Lesovik, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou.

Já se presumia que reverter causa e efeito não seria problema para os computadores quânticos. [Imagem: Aki Honda/Centre for Quantum Technologies/NUS]

O que torna o futuro diferente do passado

A maioria das leis da física não faz distinção entre o futuro e o passado. Por exemplo, elabore uma equação que descreva a colisão e o rebote de duas bolas de bilhar idênticas. Se uma câmera gravar um close do evento - só as bolas são visíveis - e ele for reproduzido ao contrário, o evento ainda pode ser representado pela mesma equação. Além disso, não se pode dizer se a gravação foi manipulada - ambas as versões parecem plausíveis. Parece que as bolas de bilhar desafiam o sentido intuitivo do tempo.

Mas imagine que alguém tenha gravado a bola branca desmontando a pirâmide inicial, com as bolas de bilhar se espalhando em todas as direções. Ninguém precisa conhecer as regras do jogo para diferenciar o cenário da vida real da sua reprodução reversa. O que faz com que a reprodução invertida pareça tão absurda é a nossa compreensão intuitiva da segunda lei da termodinâmica: um sistema isolado ou permanece estático ou evolui para um estado de caos, e não de ordem.

A maioria das outras leis da física não impede que as bolas de bilhar montem-se de nova em uma pirâmide, o chá infundido retorne ao saquinho ou um vulcão reverta sua própria erupção. Mas não vemos nada disso acontecendo porque isso iria exigir que um sistema isolado assumisse um estado mais ordenado, sem qualquer intervenção externa, o que contraria a segunda lei. A natureza dessa lei nunca foi explicada detalhadamente pela ciência, mas os cientistas fizeram grandes progressos na compreensão dos princípios básicos que a fundamentam.

Físicos brasileiros ajudaram a bolar um outro experimento que fez o tempo andar para trás. [Imagem: Kaonan Micadei et al. (2017)]

Reversão espontânea de tempo

Lesovik e seus colegas decidiram então verificar se o tempo poderia se inverter espontaneamente, pelo menos para uma partícula individual e por uma pequena fração de segundo. Isto é, em vez de colidir bolas de bilhar, eles examinaram um elétron solitário no espaço interestelar vazio.

"Suponha que o elétron esteja localizado quando começamos a observá-lo. Isso significa que temos certeza sobre sua posição no espaço. As leis da mecânica quântica nos impedem de saber isso com absoluta precisão, mas podemos delinear uma pequena região onde o elétron está localizado," descreveu o professor Andrey Lebedev, do Instituto de Tecnologia de Zurique.

A evolução do estado de um elétron é governada pela equação de Schrodinger, que descreve a dependência do tempo de sistemas regidos pela mecânica quântica. Embora a equação não faça distinção entre o futuro e o passado, a região do espaço que contém o elétron vai se ampliar muito rapidamente, ou seja, o sistema tende a se tornar mais caótico. A incerteza da posição do elétron é crescente, o que é análogo à crescente desordem em um sistema de grande escala - como uma mesa de bilhar - devido à segunda lei da termodinâmica.

"No entanto, a equação de Schrodinger é reversível," ressalta Valerii Vinokur, do Laboratório Nacional Argonne, nos EUA. "Matematicamente, isso significa que, sob uma certa transformação, chamada conjugação complexa, a equação descreverá um elétron 'enevoado' localizando-se de volta em uma pequena região do espaço no mesmo período de tempo."

Embora esse fenômeno não seja observado na natureza, teoricamente isso poderia acontecer devido a uma flutuação aleatória no padrão de fundo de micro-ondas cósmico que permeia o Universo.

A equipe começou então a calcular a probabilidade de observar um elétron "espalhado" durante uma fração de segundo localizando-se espontaneamente em seu passado recente. Os resultados indicam que, mesmo que alguém passasse a vida inteira do Universo - 13,7 bilhões de anos - observando 10 bilhões de elétrons recém-localizados a cada segundo, a evolução inversa do estado da partícula só aconteceria uma vez. E, mesmo assim, o elétron não viajaria mais do que um décimo de bilionésimo de segundo em direção ao passado.

Fenômenos de larga escala - bolas de bilhar, vulcões etc. - obviamente se desdobram em escalas de tempo muito maiores e apresentam um número impressionante de elétrons e outras partículas. Isso explica por que não observamos pessoas idosas ficando mais jovens ou uma mancha de tinta se separando do papel.

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 as bolas de bilhar. Cada um dos três sistemas inicialmente evolui da ordem para o caos, mas então uma perturbação externa perfeitamente cronometrada reverte esse processo. [Imagem: tsarcyanide/MIPT]

Tempo de reversão sob demanda

Como seria preciso esperar demais para observar o fenômeno acontecendo naturalmente, os físicos então tentaram reverter o tempo de maneira controlada. Em vez de um elétron, eles observaram o estado de um computador quântico formado por dois e, a seguir, três elementos básicos chamados qubits supercondutores.

O experimento foi feito em quatro estágios.

Estágio 1: Ordem - Cada qubit é inicializado no estado fundamental, denotado como zero. Essa configuração altamente ordenada corresponde a um elétron localizado em uma região pequena ou a uma pirâmide de bolas de bilhar antes da primeira tacada.

Estágio 2: Degradação - A ordem é perdida. Assim como a probabilidade de localização do elétron se espalha por uma região cada vez maior do espaço, o estado dos qubits se torna um padrão cada vez mais complexo de possíveis zeros e uns. Isto é feito rodando o programa de evolução no computador quântico por um breve período de tempo. Na verdade, uma degradação semelhante ocorreria por si só devido a interações dos qubits com o ambiente. No entanto, o programa controlado de evolução autônoma é necessário para o último estágio do experimento.

Estágio 3: Reversão do tempo - Um programa especial modifica o estado do computador quântico de tal forma que ele então "evolui para trás", do caos para a ordem. Esta operação é semelhante à flutuação aleatória do fundo de micro-ondas no caso do elétron, mas no experimento ela é deliberadamente induzida. Uma analogia obviamente exagerada para o exemplo do bilhar seria alguém dando um chute perfeitamente calculado na mesa.

Estágio 4: Regeneração - O programa de evolução do segundo estágio é rodado novamente. Desde que o "chute" tenha sido dado com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas rebobina o estado dos qubits de volta ao passado, como um elétron espalhado seria localizado ou as bolas de bilhar retrocederiam suas trajetórias em sentido inverso, eventualmente formando um triângulo.

Os pesquisadores descobriram que, em 85% dos casos, o computador quântico de dois qubits retornou de fato ao estado inicial. Quando o processo envolveu três qubits, aconteceram mais erros, resultando em uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%. Segundo os autores, esses erros se devem a imperfeições no computador quântico real. À medida que processadores mais sofisticados forem construídos, a taxa de erro deverá cair.

Curiosamente, o próprio algoritmo de inversão de tempo pode ser útil para tornar os computadores quânticos mais precisos. "Nosso algoritmo pode ser atualizado e usado para testar programas escritos para computadores quânticos e eliminar ruídos e erros," explicou Lebedev.

Bibliografia:

Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer
Gordey B. Lesovik, Ivan A. Sadovskyy, Mikhail V. Suslov, Andrey V. Lebedev, Valerii M. Vinokur
Nature Scientific Reports
Vol.: 9, Article number: 4396
DOI: 10.1038/s41598-019-40765-6

Extended quantum Maxwell demon acting over macroscopic distances
A. V. Lebedev, G. B. Lesovik, V. M. Vinokur, G. Blatter
Physical Review B
Vol.: 98, 214502
DOI: 10.1103/PhysRevB.98.214502

H-theorem in quantum physics
G. B. Lesovik, A. V. Lebedev, I. A. Sadovskyy, M. V. Suslov, V. M. Vinokur
Nature Scientific Reports
Vol.: volume 6, Article number: 32815
DOI: 10.1038/srep32815