O avanço das tecnologias quânticas depende, entre outros fatores, da capacidade de controlar os efeitos térmicos que tendem a diminuir a pureza do estado quântico de uma partícula ou qubit (unidade básica de informação usada para codificar dados em computação quântica), um dos pilares que sustentam a potencial vantagem da computação quântica em relação à computação tradicional.
Nesse contexto, um estudo recente conduzido por pesquisadores brasileiros aponta caminhos conceituais e potenciais aplicações práticas para lidar com esse desafio. Trata-se do artigo “Thermophoresis in Elementary Open Quantum Systems”, destacado na Physical Review E, no qual os físicos Daniel Valente, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), e Thiago Werlang, professor da Universidade Federal de Mato Grosso, investigam o fenômeno da termoforese em sistemas quânticos abertos.
A termoforese é o processo pelo qual partículas se deslocam em resposta a um gradiente de temperatura, isto é, quando há regiões mais quentes e mais frias no ambiente. As partículas tendem a se concentrar na região fria, o que as organiza no espaço. Partindo desse conceito, os autores do artigo analisaram como esse efeito pode surgir no regime quântico. Eles descobriram que a presença do gradiente térmico pode organizar o estado quântico do sistema, auxiliando na preparação de estados quânticos em sistemas abertos fora do equilíbrio.
A pesquisa também explorou como a auto-organização das partículas devido ao gradiente térmico muda o estado do sistema a ponto de tornar-se um isolante térmico ideal. “A computação quântica depende muito da coerência quântica, da superposição. E quando você tem calor envolvido, o calor tende a eliminar esse efeito quântico e, assim, eliminar todo esse poder que se busca”, explica Werlang. Segundo ele, o uso desse isolamento térmico auto-organizado pode permitir o desenvolvimento de mecanismos de proteção térmica para circuitos quânticos, preservando as propriedades necessárias para o processamento de informação.
O trabalho é resultado de uma colaboração científica que se estende por mais de uma década. Valente e Werlang ingressaram juntos como docentes na Universidade Federal de Mato Grosso em 2013 e, desde então, têm desenvolvido pesquisas em temas relacionados à termodinâmica quântica e a sistemas fora do equilíbrio. O artigo, porém, surgiu diretamente do doutorado de Maurício Matos, estudante do programa de pós-graduação em Física da instituição, co-orientado pelos dois pesquisadores. “A gente vem trabalhando em temas correlatos a este já há 12 anos”, afirma Valente. “Temos ideias muito parecidas e projetos de pesquisa muito similares.”
A investigação sobre termoforese surgiu de forma inesperada. Inicialmente interessados no transporte de calor em sistemas quânticos elementares (como um único átomo sujeito a um gradiente térmico), os pesquisadores identificaram um comportamento anômalo. “Existia um sistema em que a gente esperava ver transporte de calor e a gente viu um isolamento térmico”, relata Valente. Em vez de permitir a passagem de energia do quente para o frio, o sistema se organizava para impedir o fluxo, funcionando como um isolante perfeito no regime estacionário.
Além disso, observaram que o sistema tendia a se concentrar espontaneamente em um estado quântico específico. “Em vez de se configurar em uma mistura estatística, ele se concentrava num único estado puro e isso chamou nossa atenção”, diz o pesquisador. A busca por explicações levou a equipe a explorar literatura de áreas aparentemente distantes, como a bioquímica. Estudos sobre a auto-organização de macromoléculas de RNA sob gradientes térmicos sugeriram uma analogia profunda com o fenômeno observado.
“A gente percebeu que existia uma relação não só verbal, mas matemática mesmo”, afirma Valente. As equações que descrevem o comportamento de partículas em ambientes bioquímicos mostraram-se semelhantes às equações de movimento do sistema quântico analisado. Essa conexão inédita entre termodinâmica quântica e processos de auto-organização clássicos abriu uma nova linha de investigação. “Não era só mais um passo. Era realmente uma conexão entre áreas que nunca tinham sido conectadas.”
A termoforese é um fenômeno conhecido em contextos macroscópicos. Em sistemas clássicos, é frequentemente observada em fluidos ou em processos biológicos. O desafio enfrentado pelos pesquisadores foi traduzir esse conceito para o domínio quântico, no qual os sistemas podem ser reduzidos a um único átomo. “A gente não está falando necessariamente de um gás com 10²³ átomos, mas de um sistema microscópico”, explica Werlang.
Essa transposição de conceitos faz parte de um esforço mais amplo da área de termodinâmica quântica, que busca compreender como as leis tradicionais da física macroscópica se manifestam em escalas microscópicas. O estudo de sistemas fora do equilíbrio desempenha papel central nesse contexto. “Quando eu estou falando de gradiente térmico, eu estou falando de um sistema que está fora do equilíbrio termodinâmico”, afirma Werlang. Segundo ele, investigar esses regimes pode trazer novos insights sobre processos de organização e auto-organização em nível fundamental.
Do ponto de vista tecnológico, uma das contribuições potenciais do trabalho está na preparação controlada de estados quânticos. “Muitas vezes a temperatura atrapalha esse processo. No nosso caso, a gente consegue mostrar que, sob certas condições, ela pode ser uma forma de preparar o estado”, diz Werlang. Em vez de ser vista apenas como uma fonte de ruído ou decoerência, a interação com o ambiente pode tornar-se um recurso funcional.
Valente destaca que essa perspectiva dialoga com propostas emergentes na área de computação termodinâmica, que buscam utilizar gradientes térmicos e fluxos de energia como elementos ativos do processamento de informação. “Existe uma nova área surgindo que tenta usar fluxos de calor como o próprio hardware da máquina que vai executar funções de processamento”, explica. Embora ainda incipiente, essa abordagem pode se beneficiar dos efeitos descritos no artigo.
O modelo desenvolvido pelos pesquisadores também evidencia diferenças importantes entre o comportamento clássico e o quântico. Em regimes de baixa temperatura, por exemplo, a força termoforética não depende apenas do gradiente térmico, mas também da natureza quântica das partículas que compõem o ambiente. “Se o banho é formado por partículas do tipo bóson ou férmion, isso faz um efeito relevante”, afirma Valente. Essa dependência introduz uma complexidade adicional, ao mesmo tempo em que amplia as possibilidades de controle experimental.
Segundo Werlang, compreender a interação entre o sistema e o ambiente é essencial para descrever dinâmicas fora do equilíbrio. “Mesmo que o sistema seja um único átomo, a forma como ele interage com o meio pode ser feita de maneiras diferentes. Não basta dizer que o ambiente está a uma certa temperatura”, observa. Essa riqueza de comportamentos torna os sistemas quânticos abertos um campo fértil para investigações teóricas e experimentais.
Os próximos passos da pesquisa incluem tanto desdobramentos conceituais quanto tentativas de observação experimental. Entre as propostas discutidas estão experimentos com átomos frios confinados em redes ópticas e o estudo de vórtices em superfluidos. “Parece que dá para levar esse tipo de fenômeno a ser revelado”, afirma Valente. No entanto, desafios técnicos persistem, como a geração de gradientes térmicos em escalas extremamente pequenas.
A equipe também explora aplicações mais inusitadas, como o uso de conceitos de termoforese para orientar o movimento de pequenos robôs. “Estamos estudando o uso desse efeito para organizar sistemas robóticos de tamanho praticamente de uma moeda”, conta Werlang. A proposta ilustra o potencial de transferência de conhecimento entre áreas distintas da ciência.
Para os pesquisadores, o estudo integra uma tradição sólida da física brasileira em temas relacionados à informação quântica e aos sistemas abertos. “O Brasil sempre teve uma inserção significativa a nível internacional”, afirma Werlang, lembrando que contribuições teóricas e experimentais vêm sendo feitas desde antes do atual destaque midiático da computação quântica.
Valente ressalta ainda a importância histórica de pesquisadores que ajudaram a fundar essa área no país. “Quando a gente fala de perda de coerência ou dissipação em sistemas quânticos, lembra de nomes como Luiz Davidovich e Amir Caldeira”, diz. Essa base consolidada, segundo ele, favorece a formação de novas gerações de cientistas e a continuidade das pesquisas.
No horizonte de longo prazo, a motivação central do grupo envolve uma questão fundamental: como surge ordem em sistemas fora do equilíbrio. “Toda vez que você tem uma fonte de energia, pode encontrar ordem espontaneamente”, afirma Valente. Inspirar-se em fenômenos biológicos para projetar sistemas artificiais auto-organizados é uma das ambições que orientam os desdobramentos futuros. Ao revelar uma ponte conceitual entre termodinâmica quântica, auto-organização e possíveis aplicações tecnológicas, o artigo “Thermophoresis in Elementary Open Quantum Systems” exemplifica como investigações fundamentais podem abrir novas perspectivas para áreas estratégicas da ciência e da inovação como a computação quântica.
Por Leandro Haberli
