Resumo interno:
- A mecânica quântica, conhecida pela sua imprevisibilidade, está a revelar novos conhecimentos sobre a física à medida que cresce o interesse pela tecnologia quântica.
- A entropia, muitas vezes simplificada como “desordem”, na verdade mede o fluxo de informações nos sistemas, afetando campos que vão desde a compressão de dados até a biologia.
- Pesquisas recentes mostram que a entropia em sistemas quânticos se comporta de maneira inesperada, com três definições clássicas desviando-se dos estados quânticos constantes.
- Esta investigação sugere que os modelos termodinâmicos tradicionais podem precisar de ser revistos, uma vez que a entropia quântica desafia os pressupostos de estabilidade e consistência.
A ciência quântica é o maior ofensor, causando o caos sempre que a descobrimos. No entanto, um dos produtos positivos do aumento da consciência e do interesse no desenvolvimento da tecnologia quântica é uma maior compreensão da mecânica quântica, uma divisão da física que há muito que causa quantidades iguais de stress e admiração.
Outro tema controverso nas ciências naturais é a entropia. A entropia é muitas vezes simplificada para caber nos limites de termos como “caos” e “caos”, mas isso nem sempre lhe faz justiça. A entropia tem raízes profundas na teoria da informação e descreve o fluxo de informações dentro de um sistema. Este conceito vai além da física, influenciando áreas como a compressão de dados, onde a entropia mede a quantidade de informação codificada dentro de uma mensagem, e até mesmo a biologia, onde desempenha um papel na compreensão da organização e evolução de sistemas complexos.
Embora tenhamos estudado a entropia em profundidade ao longo dos anos, experiências recentes mostram que a entropia nos sistemas quânticos se comporta de maneiras muito inesperadas. Surpreendentemente, as três definições de entropia que antes pareciam equivalentes já não concordam, e nenhuma delas descreve com precisão o comportamento da entropia em sistemas quânticos.
O paradoxo quântico das quantidades não comutáveis
Na física clássica, a ordem é confiável. Faça medições de um objeto, de um cômodo ou de uma peça de roupa: medir uma dimensão antes da outra não altera todo o espaço, porque as dimensões são “mutáveis”. Esta variável é familiar à matemática do ensino fundamental: independentemente da ordem, a soma do problema de adição permanece a mesma.
Os sistemas quânticos, no entanto, prosperam de forma imprevisível. Num estudo recente publicado no PRXQuantum, uma equipe do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e da Universidade de Rochester observou que os valores de “desordem” perturbam as definições clássicas de entropia de maneiras surpreendentes. Propriedades irregulares, como spin quântico, produzem valores diferentes com base no sistema de medição; por exemplo, a rotação vertical de uma partícula difere quando medida antes ou depois da sua rotação horizontal. No que diz respeito aos sistemas quânticos, o que antes se pensava ser uma medida universal da quebra do caos, revelou-se uma realidade em mudança, onde diferentes definições de entropia diferem. Esta pesquisa desafia a estabilidade da termodinâmica clássica, levando-nos a repensar o papel da entropia na mecânica quântica.
As três faces da entropia
Durante quase dois séculos, a entropia usou três máscaras – desordem, irreversibilidade e incerteza – que parecem ser intercambiáveis em diversos sistemas. No entanto, quando se trata de mecânica quântica, estas definições colidem. Conforme encontrado no estudo, esse cálculo da mudança de entropia – seja ela considerada incontrolável, irreversível ou incerta – produz respostas diferentes quando aplicado a sistemas quânticos estáveis. Esta discrepância obriga-nos a enfrentar a possibilidade não tão óbvia de que a entropia, na sua forma quântica, pode não ser o que pensávamos.
Cada uma das definições clássicas, há muito utilizadas para sistemas dominados por propriedades dinâmicas, desmorona quando aplicada à interação caótica de custos de valor imóveis, conforme observado no estudo. Por exemplo, a entropia como medida de desordem não corresponde à entropia como a dificuldade de reverter um processo num sistema quântico, como mostra a investigação, o que em última análise nos convida a questionar a nossa compreensão básica da termodinâmica dentro da mecânica quântica.
Reescrevendo as Leis da Entropia
Como disse Shayan Majidy, da Universidade de Harvard, num artigo recente da New Scientist sobre quântica e entropia, quando a ideia das taxas de deslocamento é removida, é como puxar um bloco de uma torre Jenga – modelos bem estabelecidos começam a ficar perturbados. As descobertas da equipe do NIST destacam os desafios únicos e a natureza complexa da entropia quântica, que pode nem representar um valor estável em alguns casos. A equipe descobriu, por exemplo, que a entropia pode produzir valores não reais ou imaginários em sistemas quânticos, introduzindo uma nova camada de ambigüidade em nossa compreensão da desordem.
Contudo, tal complexidade tem consequências práticas. Majidy também observa que os pesquisadores devem agora ter cuidado ao escolher definições de entropia para estudos quânticos. Os velhos pressupostos já não são universalmente aplicáveis, especialmente em campos como a termodinâmica quântica e a ciência da informação quântica, onde a entropia influencia a eficiência do sistema e a precisão da informação.
Tecnologia quântica como um nó no circuito
A mecânica quântica, com a sua tendência para se rebelar, aqui e ali, revela os limites nítidos da física. À medida que a tecnologia quântica continua a evoluir, também evolui a nossa compreensão da natureza da entropia.
Essa compreensão adicional da tecnologia quântica aumenta a intriga. À medida que aprofundamos a nossa compreensão da mecânica quântica, estamos equipados para desenvolver tecnologias quânticas avançadas. Dessa forma, a tecnologia quântica cria um ambiente onde a ciência e a tecnologia básicas evoluem em paralelo.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Twesh Upadhyaya, William F. Braasch, Jr., Gabriel T. Landi e Nicole Yunger Halpern.
