{"id":24497,"date":"2024-10-24T13:39:31","date_gmt":"2024-10-24T16:39:31","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/?p=24497"},"modified":"2025-04-03T10:27:52","modified_gmt":"2025-04-03T13:27:52","slug":"fisica-de-sao-carlos-participa-de-pesquisa-que-aponta-caminhos-para-obter-o-efeito-mpemba-quantico","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbfisica.org.br\/v1\/sbf\/fisica-de-sao-carlos-participa-de-pesquisa-que-aponta-caminhos-para-obter-o-efeito-mpemba-quantico\/","title":{"rendered":"F\u00edsica de S\u00e3o Carlos participa de pesquisa que aponta caminhos para obter o \u201cEfeito Mpemba Qu\u00e2ntico\u201d"},"content":{"rendered":"\n

Uma equipe de cientistas est\u00e1 explorando um fen\u00f4meno curioso na f\u00edsica chamado \u201cefeito Mpemba qu\u00e2ntico\u201d. Esse efeito, que j\u00e1 foi observado em sistemas cl\u00e1ssicos, refere-se \u00e0 situa\u00e7\u00e3o inesperada em que um sistema \u201cmais quente\u201d pode resfriar mais r\u00e1pido do que um sistema \u201cmais frio\u201d ou temperatura ambiente. Esse fen\u00f4meno leva o nome de Erasto Mpemba<\/a>, um adolescente no interior da Tanz\u00e2nia apaixonado em fazer picol\u00e9s que descobriu na pr\u00e1tica esse efeito, defendendo-o at\u00e9 ser levado a s\u00e9rio. Agora, os pesquisadores est\u00e3o examinando como esse efeito se manifesta em sistemas qu\u00e2nticos, utilizando ferramentas da termodin\u00e2mica fora de equil\u00edbrio.<\/p>\n\n\n

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\"Ilustra\u00e7\u00e3o
Ilustra\u00e7\u00e3o usa a met\u00e1fora do sorvete para apresentar estudo sobre como o Efeito Mpemba Qu\u00e2ntico pode se manifestar num sistema qu\u00e2ntico.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

A investiga\u00e7\u00e3o parte de uma ideia central: quando um sistema qu\u00e2ntico est\u00e1 acoplado a um \u201cbanho t\u00e9rmico\u201d, uma esp\u00e9cie de ambiente que troca calor com o sistema, ele tende a relaxar em dire\u00e7\u00e3o ao equil\u00edbrio. Isso significa que, com o tempo, o sistema e o ambiente se aproximam de uma temperatura comum. Para descrever como esses sistemas evoluem ao longo do tempo em contato com um banho t\u00e9rmico, os pesquisadores utilizaram os chamados mapas de Davies, equa\u00e7\u00f5es que modelam essa din\u00e2mica.<\/p>\n\n\n\n

E uma jovem cientista, a professora p\u00f3s-doutora Krissia Zawadzki, do Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos, da Universidade de S\u00e3o Paulo, participou desta investiga\u00e7\u00e3o te\u00f3rica, cujos resultados foram publicados no dia 4 de outubro de 2024 no artigo \u201cThermodynamics of the Quantum Mpemba Effect<\/a>\u201d, divulgado no peri\u00f3dico cient\u00edfico Physical Review Letters (PRL). A cientista assina o artigo em parceria com Mattia Moroder (Munich Center for Quantum Science and Technology – MCQST), Ois\u00edn Culhane (Trinity College Dublin) e John Goold (Trinity College Dublin e Trinity Quantum Alliance).<\/p>\n\n\n

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\"A
A professora p\u00f3s-doutora Krissia Zawadzki, do Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos, da Universidade de S\u00e3o Paulo, assina artigo de colabora\u00e7\u00e3o internacional que acende uma luz nos estudos da termodin\u00e2mica fora de equil\u00edbrio em sistemas qu\u00e2nticos.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Ela explica que, desde meados de agosto do ano passado, muitos artigos come\u00e7aram a debater o Efeito Mpemba Qu\u00e2ntico, o que levou seu grupo de pesquisa a buscar interpretar o fen\u00f4meno do ponto de vista da termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica. A termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica \u00e9 uma \u00e1rea que emergiu da necessidade de entender a convers\u00e3o energ\u00e9tica em escalas microsc\u00f3picas, incluindo ainda a ideia de que informa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica pode ser concebida como um recurso energ\u00e9tico.<\/p>\n\n\n\n

O que torna esse estudo interessante \u00e9 que, quando o sistema qu\u00e2ntico come\u00e7a em um estado que possui \u201ccoer\u00eancias\u201d \u2013 isto \u00e9, caracter\u00edsticas que refletem o comportamento de sobreposi\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica \u2013 e, em seguida, \u00e9 transformado em um estado no qual essas coer\u00eancias desaparecem (chamado pela cientista como um estado \u201cdiagonal\u201d em termos de energia), o sistema pode, surpreendentemente, alcan\u00e7ar o equil\u00edbrio mais r\u00e1pido do que o esperado.<\/p>\n\n\n\n

\u201cAt\u00e9 ent\u00e3o, nenhum trabalho com Mpemba tinha olhado para estados iniciais com coer\u00eancia. Mostramos que a coer\u00eancia \u00e9 vantajosa justamente por ela se converter em uma energia livre fora do equil\u00edbrio maior. Essa energia permite que o sistema consiga alcan\u00e7ar uma configura\u00e7\u00e3o privilegiada, um estado meta est\u00e1vel, que facilita a acelera\u00e7\u00e3o observada no Mpemba. A forma como propomos que essa convers\u00e3o aconte\u00e7a \u00e9 aplicando uma transforma\u00e7\u00e3o no sistema que vai eliminar essa coer\u00eancia inicial. Essa transforma\u00e7\u00e3o, na pr\u00e1tica, deve ser engenhada a depender do experimento. Ela pode ser, por exemplo, um pulso eletromagn\u00e9tico. Ap\u00f3s esse pulso, o sistema \u00e9 chacoalhado e acessa o estado inicial de maior energia – o an\u00e1logo da mistura de sorvete quente para o sistema qu\u00e2ntico. De certa forma, poder\u00edamos interpretar que a coer\u00eancia ajuda a esquentar o sistema com essa transforma\u00e7\u00e3o\u201d, explica Krissia.<\/p>\n\n\n\n

\u201c\u00c9 como se a coer\u00eancia se convertesse em energia e te jogasse para um patamar de um estado que depois vai ter uma energia maior, \u00e9 como se voc\u00ea tivesse aquecido, a coer\u00eancia acaba tamb\u00e9m virando calor, porque \u00e9 como se voc\u00ea tivesse uma temperatura morna inicialmente, a\u00ed a coer\u00eancia acabou virando calor para voc\u00ea chegar mais r\u00e1pido l\u00e1 no estado mais frio\u201d, exemplifica a cientista.<\/p>\n\n\n\n

Para ocorrer essa acelera\u00e7\u00e3o o grupo estudou uma propriedade matem\u00e1tica do sistema conhecida como \u201cgap espectral\u201d, que \u00e9 uma propriedade matem\u00e1tica que ajuda a entender a velocidade com que o sistema qu\u00e2ntico alcan\u00e7a o equil\u00edbrio, agindo como uma medida da diferen\u00e7a m\u00ednima de energia que controla essa evolu\u00e7\u00e3o. Krissia explica que, em um sistema qu\u00e2ntico realista, \u00e9 preciso levar em conta tanto a parte que se pode medir e controlar, quanto os efeitos esp\u00farios do ambiente, que provocam dissipa\u00e7\u00e3o e n\u00e3o s\u00e3o facilmente control\u00e1veis experimentalmente.<\/p>\n\n\n\n

\u201cEsse modelo matem\u00e1tico \u00e9 o an\u00e1logo do Hamiltoniano em sistemas qu\u00e2nticos isolados para essa formula\u00e7\u00e3o dissipativa. Quanto temos um modelo Hamiltoniano, em geral buscamos escrev\u00ea-lo como uma matriz com autovalores e autovetores associados \u00e0s energias e poss\u00edveis estados que o sistema pode estar. Esse conjunto dita a forma como o sistema vai evoluir, sua din\u00e2mica. Basicamente, as energias aparecem como fases da evolu\u00e7\u00e3o. Analogamente, o Liouvilliano, na forma matricial, dita a evolu\u00e7\u00e3o dissipativa em termos de modos e fases – seus autovalores. Esses modos podem ser r\u00e1pidos ou lentos, a depender de seus valores serem pequenos ou grandes, respectivamente. Modos lentos s\u00e3o autovetores do Liouvilliano associados a estas fases com valor pequeno. Elas ir\u00e3o retardar a din\u00e2mica\u201d, diz a cientista.<\/p>\n\n\n\n

O estudo demonstra que \u00e9 poss\u00edvel obter o efeito Mpemba qu\u00e2ntico em sistemas controlados, usando uma transforma\u00e7\u00e3o unit\u00e1ria, uma opera\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica que preserva as propriedades fundamentais do sistema, em estados iniciais espec\u00edficos. O estudo sugere que esse efeito Mpemba pode ser verificado em exemplos simples com qubits, que s\u00e3o as menores unidades de informa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica, mas esperam que possa um dia ser aplicado a sistemas com m\u00faltiplos qubits.<\/p>\n\n\n\n

Sobre a influ\u00eancia do estudo na computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica e em outras \u00e1reas da tecnologia, Krissia busca relativizar as suas descobertas. \u201cSoaria ambicioso demais da minha parte afirmar que a nossa proposta \u00e9 revolucion\u00e1ria. Eu diria que \u00e9 uma proposta te\u00f3rica interessante que deve ser testada em plataformas experimentais. Pensando em aplica\u00e7\u00f5es, talvez essa proposta possa ser complementar a estrat\u00e9gias de controle qu\u00e2ntico, que exigem que opera\u00e7\u00f5es sejam executadas em escalas de tempo fixas. Em termodin\u00e2mica qu\u00e2ntica, a proposta seria interessante para modelar m\u00e1quinas t\u00e9rmicas ou dispositivos para explorar termoeletricidade mais realistas. Em computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica, onde os erros podem ser minimizados em tr\u00eas etapas – supress\u00e3o, corre\u00e7\u00e3o e mitiga\u00e7\u00e3o, – a ideia da transforma\u00e7\u00e3o do estado inicial poderia ser implementada na etapa de supress\u00e3o, onde h\u00e1 controle sobre o hardware. Por\u00e9m, eu n\u00e3o abusaria em dizer que essa proposta \u00e9 a chave para o resfriamento qu\u00e2ntico, que \u00e9 um desafio importante para o desenvolvimento de algumas tecnologias qu\u00e2nticas\u201d, avalia.<\/p>\n\n\n\n

Mas \u00e9, sem d\u00favida, uma proposta interessante para o futuro da computa\u00e7\u00e3o qu\u00e2ntica, que teve a participa\u00e7\u00e3o de uma mulher, que iniciou os estudos sobre eletricidade no Senai de Araraquara, a \u00fanica menina da turma de 2004, at\u00e9 chegar a doutorado e p\u00f3s-doutorados em universidades como a University of York (UK), Northeastern University (Boston, US), International Center for Theoretical Physics (ICTP-SAIFR), Royal Holloway University of London e Trinity College Dublin.<\/p>\n\n\n\n

Para ela, a sociedade evoluiu, mas n\u00e3o \u00e9 f\u00e1cil ainda ser mulher em um ambiente dominado por preconceitos relacionados \u00e0 g\u00eanero. \u201c\u00c0s vezes \u00e9 curioso pensar que, mesmo no ano de 2024, h\u00e1 algumas nuances na forma como o preconceito relacionado \u00e0 g\u00eanero transborda inconscientemente na sociedade e na academia. Um inc\u00f4modo pessoal genu\u00edno \u00e9 a quase aus\u00eancia de colegas, meninas e mulheres, com as quais eu possa compartilhar quest\u00f5es do dia a dia, ou mesmo compartilhar experi\u00eancias de situa\u00e7\u00f5es de preconceito que sofremos no ambiente acad\u00eamico. \u00c0s vezes, n\u00e3o somos respeitadas pelo nosso g\u00eanero em quest\u00f5es profissionais e pessoais. Nos vemos desqualificadas por puro preconceito. \u00c9 muito dif\u00edcil desconstruir esses preconceitos e, infelizmente, o impacto perverso deles para a nossa motiva\u00e7\u00e3o \u00e9 incontrol\u00e1vel.\u201d Embora ainda haja tais preconceitos, \u00e9 muito importante que mais mulheres possam trazer sua energia criativa para a f\u00edsica para ajudar a enxergar o que muitos ainda n\u00e3o conseguem ver.<\/p>\n\n\n\n

(Colaborou Roger Marzochi)<\/strong><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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