Pesquisadores que trabalham em parceria com o Google podem ter usado o computador quântico da gigante da tecnologia para criar uma fase completamente nova da matéria – um cristal do tempo.
Com a capacidade de alternar para sempre entre dois estados sem nunca perder energia, os cristais do tempo evitam uma das leis mais importantes da física – a segunda lei da termodinâmica , que afirma que a desordem, ou entropia, de um sistema isolado deve sempre aumentar. Esses cristais de tempo bizarros permanecem estáveis, resistindo a qualquer dissolução na aleatoriedade, apesar de existirem em constante estado de fluxo.
De acordo com um artigo de pesquisa publicado em 28 de julho no banco de dados de pré-impressão arXiv , os cientistas conseguiram criar o cristal do tempo por cerca de 100 segundos usando qubits (a versão da computação quântica do bit de computador tradicional) dentro do núcleo do processador quântico Sycamore do Google.
A existência dessa estranha nova fase da matéria, e o reino inteiramente novo de comportamentos físicos que ela revela, é incrivelmente excitante para os físicos, especialmente porque os cristais do tempo só foram previstos pela primeira vez há apenas nove anos.
“Esta foi uma grande surpresa”, disse Curt von Keyserlingk, físico da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, que não esteve envolvido no estudo, à Live Science. “Se você perguntasse a alguém 30, 20 ou talvez até 10 anos atrás, eles não teriam esperado isso.”
Os cristais do tempo são objetos fascinantes para os físicos porque essencialmente evitam a segunda lei da termodinâmica, uma das leis mais rígidas da física. Ele afirma que a entropia (um análogo grosseiro para a quantidade de desordem em um sistema) sempre aumenta. Se você quer fazer algo mais ordenado, você precisa colocar mais energia nisso.
Essa tendência para a desordem crescer explica muitas coisas, como por que é mais fácil misturar ingredientes em uma mistura do que separá-los novamente, ou por que os cabos dos fones de ouvido ficam tão emaranhados nos bolsos das calças. Também lança a flecha do tempo, com o universo passado sempre mais ordenado que o presente; assistir a um vídeo ao contrário, por exemplo, provavelmente parecerá estranho para você principalmente porque você está testemunhando a reversão contraintuitiva desse fluxo entrópico.
A segunda lei da termodinâmica diz que todos os sistemas evoluem para um estado de mais desordem, onde a energia é distribuída uniformemente pelo sistema.
A segunda lei da termodinâmica diz que todos os sistemas evoluem para um estado de mais desordem, onde a energia é distribuída uniformemente pelo sistema.
Os cristais do tempo não seguem esta regra. Em vez de se aproximar lentamente do equilíbrio térmico – “termalizando” para que sua energia ou temperatura seja distribuída igualmente por todo o ambiente, eles ficam presos entre dois estados de energia acima desse estado de equilíbrio, alternando indefinidamente entre eles.
Para explicar o quão profundamente incomum é esse comportamento, von Keyserlingk disse para imaginar uma caixa selada cheia de moedas antes de ser sacudida um milhão de vezes. À medida que as moedas ricocheteiam e saltam umas sobre as outras, elas “se tornam cada vez mais caóticas, explorando todos os tipos de configurações que podem explorar” até que o tremor pare e a caixa seja aberta para revelar as moedas de forma aleatória. configuração, com cerca de metade das moedas viradas para cima e metade viradas para baixo. Podemos esperar ver esse ponto final aleatório, meio para cima, meio para baixo, independentemente da maneira como organizamos as moedas na caixa.
Dentro da “caixa” do Sycamore do Google, podemos ver os qubits do processador quântico da mesma forma que veríamos nossas moedas. Da mesma forma que as moedas podem ser cara ou coroa, os qubits podem ser 1 ou 0 – as duas posições possíveis em um sistema de dois estados – ou uma mistura estranha das probabilidades de ambos os estados chamada superposição. O que é estranho sobre cristais de tempo, diz von Keyserlingk, é que nenhuma quantidade de agitação, ou zapping de um estado para outro, pode mover os qubits do cristal de tempo para o estado de energia mais baixo, que é uma configuração aleatória; eles podem apenas lançá-lo do seu estado inicial para o seu segundo estado, e então voltar novamente.
“É apenas uma espécie de flip-flops”, disse von Keyserlingk. “Ele não acaba parecendo aleatório, apenas fica preso. É como se ele se lembrasse de como era inicialmente e repetisse esse padrão ao longo do tempo.”
Nesse sentido, um cristal do tempo é como um pêndulo que nunca para de balançar.
“Mesmo que você isole totalmente fisicamente um pêndulo do universo, de modo que não haja atrito nem resistência do ar, ele acabará parando. E isso é por causa da segunda lei da termodinâmica”, disse Achilleas Lazarides, físico da Universidade de Loughborough, no UK que estava entre os cientistas a descobrir pela primeira vez a possibilidade teórica da nova fase em 2015, disse à Live Science. “A energia começa concentrada no centro de massa do pêndulo, mas há todos esses graus internos de liberdade – como as maneiras pelas quais os átomos podem vibrar dentro da haste – para os quais ela será transferida”.
Na verdade, não há como um objeto de grande escala se comportar como um cristal do tempo sem parecer absurdo, porque as únicas regras que permitem que os cristais do tempo existam são as regras assustadoras e surreais que governam o mundo do muito pequeno – a mecânica quântica .
No mundo quântico, os objetos se comportam como partículas pontuais e pequenas ondas ao mesmo tempo, com a magnitude dessas ondas em qualquer região do espaço representando a probabilidade de encontrar uma partícula naquele local. Mas a aleatoriedade (como defeitos aleatórios na estrutura de um cristal ou uma aleatoriedade programada nas forças de interação entre qubits) pode fazer com que a onda de probabilidade de uma partícula se anule em todos os lugares, exceto em uma região muito pequena. Enraizada no lugar, incapaz de se mover, mudar de estado ou termalizar com seu entorno, a partícula torna-se localizada.
Os pesquisadores usaram esse processo de localização como base de seu experimento. Usando 20 tiras de alumínio supercondutor para seus qubits, os cientistas programaram cada um em um dos dois estados possíveis. Então, lançando um feixe de micro-ondas sobre as tiras, eles conseguiram direcionar seus qubits para inverter os estados; os pesquisadores repetiram o experimento por dezenas de milhares de execuções e pararam em diferentes pontos para registrar os estados em que seus qubits estavam. O que descobriram foi que sua coleção de qubits estava alternando entre apenas duas configurações, e os qubits não estavam absorvendo o calor do feixe de micro-ondas – eles fizeram um cristal do tempo.
Eles também viram uma pista chave de que seu cristal do tempo era uma fase da matéria. Para que algo seja considerado uma fase, geralmente tem que ser muito estável diante de flutuações. Os sólidos não derreterão se as temperaturas ao redor deles variarem ligeiramente; nem as pequenas flutuações farão com que os líquidos evaporem ou congelem repentinamente. Da mesma forma, se o feixe de micro-ondas usado para inverter os qubits entre os estados fosse ajustado para estar próximo, mas ligeiramente fora dos exatos 180 graus necessários para um giro perfeito, os qubits ainda assim seriam invertidos para o outro estado.
“Não é o caso de que se você não estiver exatamente nos 180 graus, você os embaralhará”, disse Lazarides. “Ele [o cristal do tempo] magicamente sempre se inclinará um pouco, mesmo se você cometer pequenos erros.”
Outra marca registrada da mudança de uma fase para outra é a quebra de simetrias físicas, a ideia de que as leis da física são as mesmas para um objeto em qualquer ponto no tempo ou no espaço. Como um líquido, as moléculas na água seguem as mesmas leis físicas em todos os pontos do espaço e em todas as direções, mas resfriam a água o suficiente para que ela se transforme em gelo e suas moléculas escolham pontos regulares ao longo de uma estrutura cristalina – ou treliça – para arranjar-se transversalmente. De repente, as moléculas de água têm pontos preferidos no espaço para ocupar e deixam os outros pontos vazios – a simetria espacial da água foi quebrada espontaneamente.
Da mesma forma que o gelo se torna um cristal no espaço ao romper com a simetria espacial, os cristais do tempo se tornam cristais no tempo ao romper com a simetria do tempo. A princípio, antes de sua transformação na fase de cristal do tempo, a fileira de qubits experimentará uma simetria contínua entre todos os momentos no tempo. Mas o ciclo periódico do feixe de microondas corta as condições constantes experimentadas pelos qubits em pacotes discretos (tornando a simetria imposta pelo feixe uma simetria de tradução de tempo discreta). Então, alternando para frente e para trás em duas vezes o período do comprimento de onda do feixe, os qubits quebram com a simetria de tradução de tempo discreta imposta pelo laser. Eles são os primeiros objetos que conhecemos que são capazes de fazer isso.
Toda essa estranheza torna os cristais do tempo ricos em nova física, e o controle que o Sycamore fornece aos pesquisadores além de outras configurações experimentais pode torná-lo uma plataforma ideal para investigações posteriores. Isso não quer dizer que não pode ser melhorado, no entanto. Como todos os sistemas quânticos, o computador quântico do Google precisa estar perfeitamente isolado de seu ambiente para evitar que seus qubits passem por um processo chamado decoerência, que eventualmente quebra os efeitos de localização quântica, destruindo o cristal do tempo. Os pesquisadores estão trabalhando em maneiras de isolar melhor seu processador e mitigar o impacto da decoerência, mas é improvável que eliminem o efeito para sempre.
Apesar disso, o experimento do Google provavelmente continuará sendo a melhor maneira de estudar os cristais do tempo no futuro próximo. Embora vários outros projetos tenham conseguido fazer o que convincentemente parecem ser cristais do tempo de outras maneiras – com diamantes, superfluidos de hélio-3, quasipartículas chamadas magnons e com condensados de Bose-Einstein – a maior parte dos cristais produzidos nessas configurações se dissipa muito rapidamente para estudo detalhado.
A novidade teórica dos cristais é, de certa forma, uma faca de dois gumes, já que os físicos atualmente lutam para encontrar aplicações claras para eles, embora von Keyserlingk tenha sugerido que eles poderiam ser usados como sensores altamente precisos. Outras propostas incluem o uso dos cristais para melhor armazenamento de memória ou para o desenvolvimento de computadores quânticos com poder de processamento ainda mais rápido.
Mas em outro sentido, a maior aplicação dos cristais do tempo pode já estar aqui: eles permitem que os cientistas investiguem os limites da mecânica quântica.
“Isso permite que você não apenas estude o que aparece na natureza, mas também o projete e veja o que a mecânica quântica permite e não permite que você faça”, disse Lazarides. “Se você não encontrar algo na natureza, isso não significa que não possa existir – acabamos de criar uma dessas coisas”.
