No universo dos átomos, físicos desenvolvem nova teoria sobre irreversibilidade

Físicos revelam um novo modelo teórico que trata da questão da irreversibilidade de sistemas quânticos abertos utilizando o conceito de produção de entropia no espaço de fase

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Foto: Divulgação / Physical Review Letters

Desde que foram concebidos pelos gregos, os átomos são objeto de estudo da Física. As complexidades daqueles que já foram considerados a menor unidade de matéria ganharam na mecânica quântica, uma teoria que tem como objetivo descrever suas estruturas e propriedades.

Em artigo publicado recentemente no periódico Physical Review Letters, o pesquisador Gabriel Landi, do Instituto de Física (IF) da USP, acompanhado pelos especialistas Jader P. Santos, da Universidade Federal do ABC e Mauro Paternostro, da Queen’s University Belfast, na Irlanda do Norte, revelaram um novo modelo teórico que trata da questão da irreversibilidade de sistemas quânticos abertos utilizando o conceito de produção de entropia no espaço de fase.

A irreversibilidade, na mecânica quântica, pode ser compreendida como a propriedade de um sistema de sofrer alterações que o leve de um estado inicial A para um estado final B, de forma que torne-se impossível o regresso ao estado inicial. No campo da termodinâmica, a irreversibilidade está ligada à produção e aumento da entropia, uma grandeza termodinâmica que mensura o grau de irreversibilidade de um sistema.

No artigo, os pesquisadores mostraram que é possível identificar correntes de probabilidade do sistema quântico que representam a componente irreversível da dinâmica e que estão diretamente relacionadas com o grau de irreversibilidade de um processo. Segundo Landi, a inovação da pesquisa está em fornecer uma medida simples para estimar a irreversibilidade de sistema que pode ser diretamente acessada experimentalmente.

“A pesquisa está envolvida em um projeto maior, apoiado pela Fapesp”, conta Landi ao relatar que o projeto tem como tema principal investigar sistemas quânticos abertos em contato com o ambiente. “Esse artigo que publicamos agora é sobre um assunto particular dentro desse tema maior”.

Entender a irreversibilidade

O trabalho, iniciado em julho de 2016, começou a partir de uma investigação que tinha como principal questão entender o quão irreversível é um processo sob as lentes da mecânica quântica. Primeiramente, “começamos a buscar na literatura e descobrimos que não havia muita coisa sobre o assunto, por isso foi preciso desenvolver uma nova teoria”, explica ele ao reforçar que a pesquisa foi puramente teórica.

A irreversibilidade representa um dos principais conceitos da termodinâmica. Quantificar a irreversibilidade de um processo constitui uma tarefa de crescente importância tecnológica, pois permite estimar as perdas ocorridas durante um processo.

|Jb|2/W as a function of α, computed using Eq. (23) with Δcs/κ=0.9,r=0.5, andθ−2ωst=0.0.

“O que nós pudemos ver é que uma forma mais interessante de medir isso era usando uma técnica chamada ‘técnica de espaço de fase’, uma maneira diferente de escrever a mecânica quântica”, relata Landi. Optando por essa nova representação da mecânica quântica, os pesquisadores conseguiram descobrir correntes no sistema que estavam ligados à irreversibilidade.

Na mecânica quântica, de acordo com o professor, o sistema se comporta como uma onda, então temos fluxos relacionados a essa onda do sistema, ou seja, correntes devido a função de onda de uma partícula. Parte destas correntes tem a ver com o contato do sistema do ambiente que geram essa irreversibilidade.

Os autores consideraram um sistema bosônico (que representa os fótons, partícula elementar mediadora da força eletromagnética) descrito pela chamada função de Wigner, permitindo a manipulação do sistema no espaço de fase em termos de uma equação de Fokker-Planck quântica. Eles então mostraram que a entropia da função de Wigner fornece uma medida da desordem do sistema que engloba tanto as flutuações térmicas quanto as flutuações quânticas e, cuja produção de entropia associada, servia como uma medida de irreversibilidade.

Para o pesquisador, descobrir uma forma de medir a irreversibilidade tem potencialmente diversas aplicações em áreas como computação quântica e comunicação. “No fundo, estamos codificando a perda de recursos e essa é a principal contribuição”, explica.

Tecnologias quânticas

Conforme Landi, todas as tecnologias quânticas que ainda estão por vir funcionam de uma forma semelhante: com um processo que é realizado mediante certos recursos. “Uma vez que eu faço esse processo e consumo esses recursos, quanto de recurso foi desperdiçado? É importante saber para você otimizar o processo, deixar ele mais eficiente. Se você não sabe estimar, você não tem diretrizes de como utilizar o processo”, explica.

Apesar deste conceito inicialmente ter sido desenvolvido para sistemas macroscópicos, ele encontra diversas aplicações em sistemas microscópicos como, por exemplo, motores biológicos, nano-dispositivos e tecnologias quânticas, como computação e comunicação quânticas.

Este último caso, em particular, se enquadra no problema de sistemas quânticas abertos (ou seja, em contato com um reservatório). Apesar da importância tecnológica destes sistemas, não existe atualmente um formalismo unificado para estimar a irreversibilidade de um processo.

Expandir a teoria

Para Landi, a pesquisa apresentada até aqui foi um primeiro passo na tentativa de entender melhor o cálculo da irreversibilidade. “Essa teoria funciona para alguns processos, mas precisamos expandi-la para outras situações de interesse”, revela ele.

A partir de agora, os pesquisadores irão começar a investigar aplicações da teoria para outros processos na área da computação quântica. “Vamos verificar alguns recursos que são específicos para algumas áreas e tentar perceber as perdas”, esclarece.

O artigo Wigner Entropy Production Rate pode ser acessado neste link.

Com informações da Assessoria de Comunicação do IF

Mais informações: e-mail gtlandi@if.usp.br, com Gabriel Teixeira Landi

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