Uma equipe de cientistas da China, Hong Kong e Itália desenvolveu um motor quântico capaz de realizar trabalho útil e resfriar simultaneamente um reservatório, algo que requereria dois dispositivos distintos em máquinas térmicas convencionais.
Os resultados desse estudo foram publicados na Physical Review Letters no dia 14 de julho e integram previsões teóricas com uma validação experimental realizada em um ambiente fotônico.
O ponto inicial da pesquisa foi uma curiosidade sobre um fenômeno térmico inesperado: um sistema quântico que consegue absorver calor de reservatórios cuja temperatura é inferior à sua própria.
Calor que se desloca na direção oposta
A termodinâmica clássica afirma que o calor se transfere naturalmente de objetos mais quentes para os mais frios até que ambos atinjam o equilíbrio térmico. Esse princípio é fundamental para o funcionamento de aparelhos como geladeiras e turbinas em usinas.
Os pesquisadores demonstraram que essa regra não se aplica quando um sistema quântico passa por dois processos de termalização em uma ordem indefinida. Nessa situação, é possível que o sistema absorva energia térmica mesmo quando está a uma temperatura mais elevada do que a dos reservatórios envolvidos.
Esse fenômeno é denominado fluxo de calor anômalo: não se trata de um erro nas medições ou de flutuações estatísticas, mas sim de um efeito reprodutível que ocorre quando as interações estão em superposição.
Definindo a ordem causal indefinida
O mecanismo central do estudo é designado como ICO, sigla para indefinite causal order. A proposta consiste na ocorrência de dois eventos em uma superposição de ordens, sem uma resposta clara sobre qual evento ocorreu primeiro.
No contexto da termodinâmica quântica, esses eventos são representados como canais de termalização que afetam um sistema. O controle dessa ordem é exercido por um qubit de controle, cuja superposição resulta na indefinição da sequência. Esse arranjo é conhecido na literatura como quantum switch.
Pesquisas anteriores já haviam identificado uma consequência intrigante desse arranjo: mesmo com os canais apresentando a mesma temperatura, o sistema não precisa obrigatoriamente terminar equilibrado nessa temperatura. A equipe partiu dessa observação para investigar os efeitos quando o sistema e os canais começam em temperaturas distintas.
“No universo quântico, dois processos térmicos podem ocorrer em uma superposição de ordens diferentes”, comentou Zhong-Xiao Man, coautor sênior do estudo. Ele acrescentou que essa configuração gera um fluxo de calor atípico e possibilita ao motor extrair energia de ambientes mais frios, algo inviável segundo as leis da física clássica.
Um ciclo Otto multifuncional
Com o fluxo anômalo devidamente estudado, a equipe elaborou um ciclo Otto quântico. O nome se refere ao mesmo ciclo termodinâmico usado para descrever motores a combustão interna, adaptado aqui para um sistema com dois níveis.
A principal diferença reside nos resultados do processo… Enquanto um motor Otto tradicional produz trabalho e um refrigerador proporciona resfriamento, o ciclo desenvolvido pelos pesquisadores oferece ambas as funcionalidades numa única operação.
Tanto o fluxo anômalo quanto a execução do motor foram realizados em uma plataforma fotônica com interferômetro montado em bancada. Man afirmou que os dados coletados validaram completamente as previsões teóricas formuladas pelo grupo.
A segunda lei da termodinâmica permanece válida
Aqui surge um ponto frequentemente negligenciado nas reportagens sobre este tema: nada disso implica na criação de um moto-perpétuo ou na violação da segunda lei da termodinâmica.
O balanço energético se mantém correto porque o ciclo utiliza a energia livre do qubit de controle no momento em que o quantum switch é ativado. A pureza desse qubit é comprometida durante o processo. Existe um custo associado; ele apenas não aparece onde a lógica clássica normalmente espera encontrá-lo.
Giulio Chiribella, coautor do estudo, destacou três contribuições principais do trabalho. A primeira foi identificar uma nova forma de fluxo anômalo, demonstrando que a coerência quântica influencia a troca térmica entre sistemas. A segunda foi integrar teoria e experimentação no mesmo artigo publicado.
A terceira contribuição pode ser menos atraente para manchetes: os pesquisadores comprovaram que esses efeitos não são exclusivos da ordem causal indefinida, sendo reproduzíveis dentro de uma estrutura causal definida. Por isso, o título do artigo apresenta “(In)definite” com o prefixo entre parênteses.
Possíveis aplicações futuras
O motor apresentado ainda representa apenas uma prova de conceito, sem perspectiva imediata para aplicação comercial. Os autores indicam três áreas onde esse projeto poderia resultar em tecnologias aplicáveis:
- A primeira diz respeito ao resfriamento de processadores quânticos, problema atual que demanda grandes e dispendiosas infraestruturas criogênicas.
- A segunda envolve gerenciamento térmico em sensores quânticos e tecnologias de imagem.
- A terceira abrange dispositivos em nanoescala, onde qualquer melhoria na eficiência térmica pode impactar todo o projeto.
Nenhuma dessas frentes tem prazo definido para desenvolvimento. O resultado até agora é apenas um efeito observado em laboratório óptico e não um componente funcional.
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Desafios com tempo finito no modelo
Rosario Lo Franco, coautor sênior localizado em Palermo, mencionou qual será o próximo desafio enfrentado pela equipe: avançar além dos ciclos termodinâmicos idealizados e explorar implementações onde todas as operações ocorram em tempo finito.
A importância desse aspecto deriva de estudos teóricos recentes; medições e operações realizadas dentro deste intervalo temporal introduzem trocas entre custo energético, ganho informacional e desempenho geral. Um ciclo teoricamente viável com etapas infinitamente lentas pode perder suas vantagens assim que fatores temporais são considerados.
É relevante notar que essa linha investigativa não surgiu recentemente. Em 2020, Felce e Vedral propuseram refrigeração baseada na ordem causal indefinida na mesma revista científica. Em 2022, outro grupo chinês executou experimentalmente um refrigerador quântico utilizando ordens indefinidas. Em 2023, esse princípio foi aplicado ao carregamento de baterias quânticas.
A pesquisa conduzida por Qing-Feng Xue e seus colegas adiciona à sequência mencionada o primeiro ciclo capaz de fornecer trabalho e resfriamento simultaneamente, demonstrando também que tal técnica não depende exclusivamente da indefinição causal para sua funcionalidade.
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