Cientistas usam computador quântico para reverter o tempo | Quebrando a 2ª Lei da Termodinâmica

• Os físicos criaram com sucesso um estado quântico que se move na direção oposta da seta termodinâmica do tempo.
• Eles demonstraram este estado em computadores quânticos de 2 e 3 qubit.
• Pode ser usado para tornar os computadores quânticos mais precisos enquanto reduz erros e ruídos.

Como a irreversibilidade emerge das leis da física aparentemente simétricas no tempo? Os cientistas vêm tentando encontrar a resposta há anos.

No quadro da mecânica estatística clássica, o problema está relacionado com a 2ª lei da termodinâmica, que afirma que a entropia em um sistema fechado aumenta quando a energia muda de uma forma para a outra, ou a matéria se move livremente.

Em 2018, pesquisadores russos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou relataram a violação da 2ª lei da termodinâmica por meio de um dispositivo conhecido como demônio de Maxwell. Agora, eles abordaram o problema de um ângulo diferente:desenvolveram um estado quântico que se move na direção oposta da seta termodinâmica do tempo.

A equipe avaliou primeiro a probabilidade de um elétron no vácuo viajar instintivamente de volta ao seu passado recente. Eles descobriram que observar 10 bilhões de elétrons recém-localizados a cada segundo durante toda a vida do universo revelaria a evolução reversa do estado do elétron apenas uma vez.

Mesmo nesse caso, a partícula não viajaria mais do que um nanossegundo no passado. É por isso que não observamos as coisas acontecendo no tempo reverso, porque isso exigiria um número surpreendente de partículas se desdobrando em escalas de tempo muito maiores.

Referência:arXiv:1712.10057 | MIPT

A experiência de quatro estágios

Os pesquisadores analisaram o estado de um computador quântico feito de 2 e 3 qubits (bits quânticos).

1. Pedido: Inicialmente, cada qubit está no estado fundamental, representando zero.
2. Degradação: Lance um ‘programa de evolução’ para alterar os estados dos qubits para uns e zeros, ou ambos ao mesmo tempo.
3. Inversão de tempo: Um algoritmo exclusivo desenvolvido neste estudo muda o computador quântico de tal forma que ele se moveria na direção reversa, do caos para a ordem.
4. Regeneração: Inicie o programa de evolução novamente para retroceder os estados dos qubits de volta ao passado.

Cortesia de pesquisadores

O computador quântico de 2 qubit retornou ao seu estado inicial em 85% dos casos, enquanto o de 3 qubit mostrou mais erros, resultando em uma taxa de sucesso de 50%. Os erros ocorreram devido a defeitos no computador quântico existente. À medida que técnicas de computação quântica mais avançadas são desenvolvidas, espera-se que a taxa de erro diminua significativamente.

O que vem a seguir?

Este algoritmo de reversão de tempo pode ser usado para desenvolver computadores quânticos mais precisos. Em um futuro próximo, ele pode ser modificado para testar o software escrito para computadores quânticos e reduzir erros e ruídos.

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Os esquemas desenvolvidos neste estudo estavam rolando um por um através dos componentes de estado, mas não exploraram o paralelismo quântico em todo o seu poder. A próxima questão é se é possível desenvolver um algoritmo quântico que realizaria a reversão no tempo de forma mais eficiente do que usar portas elementares O (N).