Nada é para sempre, mas é possível desacelerar a decadência inevitável? Uma investigação sobre o atraso da deterioração dos dispositivos de memória quântica e a formação de buracos negros explicados com analogias intuitivas da vida cotidiana

Inevitavelmente, grandes estrelas no final de sua vida colapsam sob a gigantesca força da gravidade, transformando-se em buracos negros. Poderíamos perguntar astutamente se há uma maneira de atrasar esse processo; adiar a morte da estrela. Enquanto investigava a "terapia anti-envelhecimento" de grandes estrelas, pesquisadores do Centro de Física Teórica do Universo, dentro do Institute for Basic Science (IBS), conceituou um material ideal que poderia armazenar dados por um tempo excepcionalmente mais longo do que os dispositivos atuais de curta duração, trazendo novas dicas para futuras tecnologias de memória quântica.

Os arqueólogos foram capazes de descobrir, e muitas vezes decifrar, mensagens deixadas por civilizações antigas em tabletes de argila, pedra ou papel. Esses espécimes chegaram ao século 21, mas nossas mensagens digitais sobreviverão em perfeitas condições por milhares de anos? A produção de novas informações digitais é maior do que nunca, mas os dispositivos baseados em silício vêm com uma data de validade:é cerca de 3 a 5 anos para discos rígidos e 5 a 10 anos para dispositivos de armazenamento flash, CDs e DVDs. Tristemente, todas as nossas memórias inestimáveis ​​armazenadas como fotos digitais, vídeos e documentos digitalizados não estarão disponíveis para nossos descendentes, a menos, é claro, que os copiemos cuidadosamente para novos dispositivos de vez em quando. Superar essa limitação é um dos maiores desafios enfrentados pelos cientistas hoje. "Todos nós morremos, mas queremos desacelerar o processo de envelhecimento, para que possamos viver mais, muito mais do que agora. O mesmo vale para nossos dados digitais, queremos prolongar sua existência, "diz Soo-Jong Rey, diretor do campo, Gravidade, e Grupo de Cordas do Centro de Física Teórica do Universo.

Tornar-se quântico é a melhor maneira de aproveitar as muitas facetas do mundo em nanoescala. Ele nos permite explorar a propriedade quântica do "emaranhamento quântico" por meio do qual estruturas coerentes podem ser formadas nessas escalas pequenas. O princípio quântico fundamental foi levantado por Rolf Landauer em 1961. Ele descobriu que o calor e a informação estão intimamente ligados. O processamento de dados gera calor e, por esta razão, as informações se deterioram e não podem ser armazenadas para sempre. Agora com a miniaturização digital, estamos levando a tecnologia a seus limites quânticos. As informações são armazenadas em dispositivos de escala quântica cada vez menores, contra sua tendência natural de se espalhar, e, portanto, gerando ainda mais calor.

Desnecessário dizer, declínio e decadência fazem parte da vida, como tudo se resume a transferência de energia. É o mesmo fenômeno que faz com que um café quente atinja a temperatura ambiente ao entrar em contato com uma caneca fria e com o ar. A energia é transferida do café para a caneca e, eventualmente, para o ar. A energia tende a se dissipar, a menos que seja blindado e confinado. Esse processo de troca que reduz a temperatura do café está, em última análise, conectado a um processo de informação quântica que os físicos chamam de "embaralhamento" na escala quântica final. Como a palavra sugere, embaralhamento envolve a mistura de energia e informação onde os originais não podem ser recuperados, da mesma forma que a gema e a clara não são reconhecíveis em um ovo mexido.

Para manter o café quente por mais tempo, seria necessário protegê-lo de quaisquer outros materiais ou substâncias mais frias. No caso de dispositivos de memória, para manter o dispositivo funcionando por mais tempo, elétrons ou átomos carregando energia ou informação de unidades quânticas não devem interagir com outros elétrons e átomos e precisam ser isolados o máximo possível. O confinamento é criado por outros átomos que formam uma barreira. A muito tempo atrás, Phil Anderson provou que esta barreira construída em átomo funciona perfeitamente se nosso mundo for unidimensional, como uma linha. Imagine ter átomos em uma linha e colocar um obstáculo no meio para mantê-los separados. Contudo, se eles se movem em um terreno plano bidimensional ou em um material tridimensional, este problema é notoriamente complicado. Embora a indústria de semicondutores seja especializada em controlar essas barreiras, átomos sempre podem encontrar caminhos para se mover ou pular e alcançar seus vizinhos.

Para complicar ainda mais o problema, foi descoberto que os elétrons se movem juntos como aglomerados, chamados de sistemas fortemente correlacionados ou sistemas de muitos corpos. Assim, embora os cientistas queiram isolar átomos e elétrons individuais e impedir que eles interajam entre si, segurar as rédeas de um grupo deles é ainda mais desafiador.

Para encontrar um sistema idealizado que seja localizado e correlacionado ao mesmo tempo, a equipe de pesquisa do IBS baseou-se em um conceito exótico chamado supersimetria. "Na supersimetria, cada partícula tem um parceiro. Por exemplo, cada elétron é pareado com um selétron da mesma energia e massa. Por causa desses pares, o sistema pode ser resolvido com papel e caneta, sem a necessidade de simulação de computador, não importa quantas partículas você tenha, "diz Rey.

Usando os princípios matemáticos da supersimetria, os cientistas conceituaram um material ideal com a organização estrutural certa que poderia armazenar dados quânticos por um tempo excepcionalmente longo, "exponencialmente mais longo do que os dispositivos de memória atuais."

O material que eles imaginam tem uma arquitetura especial de níveis de energia para seus elétrons. Os níveis de energia podem ser imaginados como os andares de um hotel. Contudo, a forma do hotel parece diferente dependendo do tipo de átomo. Quanto mais energia o elétron tem, o andar superior que ocupa. Assim, os elétrons envolvidos no armazenamento de dados ocupariam os andares superiores. Usando esta analogia, o hotel de silício tem uma forma semelhante a uma pirâmide invertida com quartos disponíveis em cada andar. Os elétrons com dados no andar superior podem facilmente trocar sua energia ou dados com o elétron nos andares inferiores. Desta maneira, eles trocam salas com outros elétrons, transferindo energia ou dados. Troca de quarto após troca de quarto, embaralhamento ocorrerá.

O hotel proposto pela equipe de pesquisa de Rey, em vez de, diminui rapidamente à medida que sobe mais alto. Neste hotel, a maioria dos elétrons está no primeiro andar porque muito poucos quartos estão disponíveis nos andares superiores. Como não há quartos disponíveis no andar de cima, elétrons não podem interagir uns com os outros, e eles não podem trocar de quarto. Desta maneira, os dados dos elétrons nos andares superiores não são perdidos com o passar do tempo. Eventualmente, o processo de embaralhamento acontecerá, mas levaria um tempo exponencial.

"A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia não pode diminuir, mas não menciona quanto tempo leva para um estado ordenado se tornar caótico. Portanto, o nome do jogo é longevidade; para prolongá-lo tanto quanto possível, "esclarece Rey." Eventualmente, claro, o hotel vai desabar, entropia é o vencedor final, é inevitável, mas queremos ter certeza de que essa vitória só ocorrerá depois de muito tempo. "

Embora um material com tais níveis de energia ainda não exista, essa nova compreensão pode guiar os cientistas de materiais e engenheiros de dispositivos de memória sobre como desenvolver dispositivos de armazenamento de memória superiores que se encaixam neste conceito e que podem substituir o silício.

Voltando à "terapia anti-envelhecimento das grandes estrelas", da mesma forma que é teoricamente possível projetar um material para armazenamento digital mais longo, os cientistas estão se perguntando se é possível apontar um critério preciso para atrasar a decadência de estrelas grandes. Em outras palavras, eles poderiam atrasar a formação de buracos negros? Pesquisas futuras dirão.

O estudo foi publicado no Journal of High Energy Physics .