Mais de 150 anos depois que o famoso cientista escocês James Clerk Maxwell apresentou a idéia pela primeira vez, o conceito de “demônio” de Maxwell continua a perplexos físicos e cientistas da informação. O “demônio” que ele sonhou em um experimento mental, que podia separar partículas rápidas e lentas em lados separados de um recipiente, parecia violar a segunda lei da termodinâmica. Ao levar em conta a memória do demônio, os físicos foram capazes de alinhar o demônio com as leis da mecânica estatística dos sistemas clássicos, mas a situação tornou-se controversa mais uma vez quando motores de calor quânticos foram propostos, à medida que físicos termodinâmicos e teóricos da informação discutiam viabilidade explicações. Resultados recentes da modelagem física podem reunir os diferentes argumentos.
“Queríamos mostrar uma ligação entre a ciência da informação e a termodinâmica”, explica Stella Seah, Ph.D. da Universidade Nacional de Cingapura. Seah trabalhou com Stefan Nimmrichter e Valerio Scarani no Instituto Max Planck para a Ciência da Luz e também na Universidade Nacional de Cingapura. Ao modelar um sistema físico com um “demônio menor de Maxwell”, que só tem acesso limitado ao sistema, eles foram capazes de mostrar de onde vêm os aumentos na entropia e se essa entropia leva ao que pode ser descrito como calor quântico ou genuíno trabalho feito.
Litígios quânticos
Nos sistemas quânticos, as medições podem mudar o estado de um sistema, e é aí que as implicações para a segunda lei da termodinâmica se infiltram. Se a medição é incompatível com o sistema quântico – o que os físicos quânticos descreveriam como um hamiltoniano que não comuta – então a medição introduz energia. Se essa mudança na energia deve ser descrita como “trabalho realizado” ou “calor quântico” permanece uma questão espinhosa. Alguns argumentam que, com medições repetidas, o calor se dissipa, que a energia é passiva e não pode ser aproveitada, e que, em qualquer caso, considerar a medição como um canal dissipativo que apenas atua no sistema ignora erroneamente o aparelho de medição.
Embora as disputas sobre o tema frequentemente ocupem domínios abstratos da teoria da informação e das abstrações termodinâmicas, Seah, Nimmrichter e Scarani estavam ansiosos por desenvolver uma abordagem mais pragmática. Eles consideram um sistema de um qubit em contato com um reservatório térmico que pode promovê-lo a um estado excitado. O qubit é acoplado a um ponteiro que muda de posição macroscopicamente, dependendo do estado interno do qubit. Seah sugere pensar no ponteiro como uma mola, ou talvez uma molécula que oscila em um poço quântico, onde a posição para energia mínima muda de posição dependendo do estado do qubit.
O menor de dois “demônios”
A principal diferença entre esse sistema e os cenários usuais que os demônios de Maxwell encontram é que o demônio só pode acessar informações sobre o ponteiro. Usando seu modelo, Seah, Nimmrichter e Scarani revelaram que, com esse demônio menor de Maxwell, o sistema poderia permitir feedback de medição, como os giros de Rabi no qubit que seriam definidos como trabalho útil, bem como outros aumentos na entropia que poderiam ser descritos como aquecimento quântico.
O modelo parece fazer incursões significativas em uma discussão que vem sendo travada há décadas, mas Seah diz que não ficou realmente surpresa ao alcançar esse resultado. “O que me surpreendeu foi quando descobrimos que se você usa um ponteiro macroscópico, obtém um comportamento diferente de um ponteiro microscópico”. Ela explica que o uso de um segundo qubit para atuar como ponteiro no modelo leva ao comportamento termodinâmico familiar de um ciclo Otto (que descreve como alguns dos primeiros motores mecânicos da revolução industrial operaram). Somente quando as mudanças de posição do ponteiro são muito maiores que as flutuações térmicas que a medição aumenta a entropia de uma maneira que seria definida como o trabalho realizado. Além disso, você não precisa fazer movimentos distintos como em um motor térmico clássico. “Você pode fazer as medições aleatoriamente e tudo acontece de forma contínua, agradável e suave”, diz Seah.
Em seguida, ela está interessada em considerar o que acontece em estados específicos (onde pode haver confusão ou suposição) e se pode haver alguma vantagem quântica por lá.
Achou útil essa informação? Compartilhe com seus amigos! xD
Deixe-nos a sua opinião aqui nos comentários.
