(Phys.org) - Nos últimos anos, os físicos desenvolveram atalhos quânticos que aceleram a operação dos sistemas quânticos. Surpreendentemente, alguns desses atalhos parecem, teoricamente, permitir que os sistemas operem quase instantaneamente sem usar energia extra - uma violação clara da segunda lei da termodinâmica. Embora os físicos saibam que algo está errado, até agora, a solução para essa situação não foi clara.

Agora em um novo estudo, físicos mostraram que os atalhos quânticos estão sujeitos a uma compensação entre velocidade e custo, de modo que quanto mais rápido um sistema quântico evolui, quanto maior o custo energético de implementação do atalho. De acordo com as leis da termodinâmica, uma velocidade infinitamente rápida seria impossível, pois exigiria uma quantidade infinita de energia.

Os físicos, Steve Campbell, da Queen's University Belfast no Reino Unido e da University of Milan na Itália, junto com Sebastian Deffner na University of Maryland Baltimore County nos EUA, publicaram um artigo sobre a compensação entre custo e velocidade em atalhos quânticos em uma edição recente da Cartas de revisão física .

"Alguns métodos propostos recentemente para controlar sistemas quânticos, chamados de atalhos para adiabatismo (STA), parecem ser energeticamente de graça, e ainda mais preocupante, não havia nada a dizer que eles não pudessem ser alcançados em tempos extremamente pequenos, "Campbell disse Phys.org . "O fato de algo não estar certo nos levou a considerar mais explicitamente o que acontece quando essas técnicas são aplicadas."

Para fazer isso, os cientistas aplicaram o limite de velocidade quântica - um limite superior fundamental na velocidade em que um sistema quântico pode operar, que surge devido ao princípio da incerteza de Heisenberg. Uma vez que o limite de velocidade quântica é uma consequência deste princípio fundamental, deve se aplicar a todas as STAs, e, portanto, deve proibi-los de operar em tempos arbitrariamente curtos.

"Calculando o limite de velocidade quântica, mostramos que quanto mais rápido você deseja manipular um sistema usando um STA, quanto maior o custo termodinâmico, "Campbell". Além disso, a manipulação instantânea é impossível, pois exigiria uma energia infinita para ser colocada. "

Como os cientistas explicaram, os resultados não são particularmente surpreendentes, apenas algo que demorou para descobrir.

"Eu acredito que este é outro caso de 'se algo parece bom demais para ser verdade, normalmente é, "Deffner disse." Provavelmente havia um sentimento geral na comunidade de que seria necessário quantificar o custo. Fomos apenas os primeiros a resolver isso. "

Para demonstrar a utilidade dessa troca, os físicos o aplicaram a dois sistemas práticos. O primeiro são os osciladores harmônicos, que têm uma ampla gama de usos, inclusive em testes de termodinâmica quântica. O segundo é o modelo Landau-Zener, que tem aplicações em computação quântica adiabática, como usado na máquina D-Wave.

Em ambos os modelos, a compensação coloca limites práticos na aceleração final desses sistemas oferecidos por STAs. Os cientistas esperam que essas limitações ajudem a orientar o projeto e a implementação desses e de outros sistemas quânticos no futuro.

"Também gostaríamos de examinar as outras técnicas para STA que foram desenvolvidas, e ver se podemos encontrar compensações semelhantes, "Deffner disse." Outro caminho importante será generalizar nosso trabalho para a mecânica quântica não-padrão, como materiais Dirac e sistemas não lineares. "

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