Cientistas da Rússia estão usando computador quântico para reverter o fluxo de tempo e desfazer o envelhecimento de uma única partícula elementar simulada em um milionésimo de segundo. Entretanto, o experimento publicado na revista Nature Scientific Reports é diferente de abrir portas para o desenvolvimento de uma máquina do tempo, logo, isso reforça o quanto estamos presos no fluxo temporal.
“Demonstramos que reverter o tempo, mesmo uma partícula quântica, é uma tarefa insuperável na natureza”, explica o físico Valerii M. Vinokur, do Laboratório Nacional de Argonne, Estados Unidos, um dos cinco pesquisadores da equipe liderada por Gordey B. Lesovik, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, na Rússia.
O estudo se vem de encontra com a Segunda Lei da Termodinâmica, que afirma que existe uma tendência natural de qualquer sistema isolado de degenerar em um estado mais desordenado. “Essa lei está intimamente relacionada à noção da ‘flecha do tempo’ que apresenta a direção unidirecional do tempo, do passado para o futuro”, afirma Lesovik.
Na prática, as leis básicas da física são reversíveis: elas trabalham matematicamente se o tempo está avançando ou retrocedendo. Mas se o tempo é apenas outra dimensão do espaço-tempo, como Albert Einstein sempre dizia, é uma dimensão unidirecional estranha. No mundo real, podemos sair do metrô e virar à esquerda ou à direita, mas não temos a opção de avançar ou voltar no tempo. Estamos sempre indo em direção ao futuro.
No laboratório, os cientistas conseguiram uma maneira de dobrar esta lei, criando artificialmente um estado que evolui em uma direção oposta à da flecha termodinâmica do tempo. Lesovik explica que a evolução do estado de um elétron é governada pela equação de Schrödinger – o mesmo da história do gato que você pode conhecer aqui.
Embora não faça diferença nesse caso entre o futuro e o passado, a região do espaço que contém o elétron tende a se espalhar muito rapidamente. Isto é, o sistema tende a se tornar mais caótico: a incerteza da posição do elétron está aumentando, de forma análoga à crescente desordem em um sistema de grande escala, como uma mesa de bilhar após a primeira tacada. É a Segunda Lei da Termodinâmica que entra em ação.
“Entretanto, a equação de Schrödinger é reversível”, acrescenta Vinokur. “Matematicamente, isso significa que, sob uma conjugação complexa, a equação descreverá a ‘mancha’ que representa a localização dos elétrons recuando para uma pequena região do espaço”. Embora esse fenômeno não seja observado na natureza, poderá teoricamente ocorrer devido a uma flutuação aleatória no fundo cósmico de micro-ondas que permeia pelo universo.
A equipe então decidiu calcular a probabilidade de observar a localização de um elétron reverter por uma fração de segundo para uma posição do seu passado recente. As chances de isso acontecer de forma natural são extremamente baixas: se alguém passasse a vida inteira do universo – 13,7 bilhões de anos – observando 10 bilhões de elétrons a cada segundo, a ‘evolução reversa’ do estado da partícula ocorreria apenas uma vez, e por um décimo de bilionésimo de segundo.
Claro que Lesovik e sua equipe não tinham tanto tempo assim, então usaram um outro método. Em vez de tentar observar um elétron, eles observaram o estado de um computador quântico composto por dois e posteriormente três qubits, ou bits quânticos.
Etapas da pesquisa
A pesquisa entretanto foi trabalhada em quatro etapas:
Primeira: cada qubit foi inicializado no estado fundamental, denotado por sua vez como zero – uma configuração altamente ordenada, que corresponde a um elétron localizado em uma pequena região.
Segunda: o elétron é espalhado por uma região cada vez maior do espaço, no qual o estado dos qubits se torna um padrão de mudança cada vez mais complexo de 0 e 1. Isso foi alcançado devido a um programa de evolução no computador quântico. Uma degradação semelhante ocorreria naturalmente devido às interações dos elétrons com o meio ambiente, mas o programa controlado de evolução autônoma permitirá as próximas etapas do experimento.
Terceira: reversão do tempo. Agora, um outro programa modifica o estado do computador quântico de forma que ele evolua “para trás”, do caos para a ordem. Essa operação é semelhante à flutuação aleatória do fundo de micro-ondas, mas agora é deliberadamente induzida. Vamos voltar à analogia da mesa de bilhar, seria com uma tacada perfeitamente calculada que devolveria todas as bolas ao formato de triângulo inicial.
Quarta: regeneração, o programa de evolução é lançado novamente. Se a “tacada” tenha sido realizada com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas retrocede o estado dos qubits inicial. Os pesquisadores descobriram que em 85% dos casos o computador quântico de dois qubit conseguiu esse retorno, enquanto o de três qubits obteve uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%.
Para finalizar, mais do que um experimento teórico, o estudo e o próprio desenvolvimento do algoritmo de reversão de tempo podem ser úteis para tornar os computadores quânticos mais precisos.
“Nosso algoritmo pode ser atualizado e usado para testar programas escritos para computadores quânticos e eliminar e erros”, conclui Lesovik.
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