O calor flui de objetos quentes para frios. Quando um corpo quente e um corpo frio estão em contato térmico, eles trocam energia térmica até atingirem o equilíbrio térmico, com o corpo quente esfriando e o corpo frio se aquecendo. Este é um fenômeno natural que experimentamos o tempo todo. É explicado pela segunda lei da termodinâmica, que afirma que a entropia total de um sistema isolado sempre tende a aumentar com o tempo até atingir um máximo. Entropia é uma medida quantitativa da desordem em um sistema. Os sistemas isolados evoluem espontaneamente em direção a estados cada vez mais desordenados e falta de diferenciação.

Um experimento conduzido por pesquisadores do Centro Brasileiro de Pesquisas em Física (CBPF) e da Universidade Federal do ABC (UFABC), bem como colaboradores de outras instituições no Brasil e em outros lugares, mostrou que as correlações quânticas afetam a forma como a entropia é distribuída entre as partes em contato térmico, invertendo a direção da chamada "seta termodinâmica do tempo".

Em outras palavras, o calor pode fluir espontaneamente de um objeto frio para um objeto quente, sem a necessidade de investir energia no processo, conforme exigido por um refrigerador doméstico. Um artigo que descreve o experimento com considerações teóricas acaba de ser publicado em Nature Communications .

O primeiro autor do artigo, Kaonan Micadei, completou seu Ph.D. sob orientação do professor Roberto Serra e atualmente faz pós-doutorado na Alemanha. Serra, também um dos autores do artigo, foi apoiado pela FAPESP por meio do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Informação Quântica do Brasil. A FAPESP também concedeu duas bolsas de pesquisa vinculadas ao projeto a outro co-autor, Gabriel Teixeira Landi, Professor do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP).

"Pode-se dizer que as correlações representam informações compartilhadas entre diferentes sistemas. No mundo macroscópico descrito pela física clássica, a adição de energia externa pode reverter o fluxo de calor em um sistema, de modo que ele flua do frio para o quente. Isso é o que acontece em uma geladeira comum, por exemplo, “Serra disse à Agência FAPESP.

"É possível dizer que em nosso experimento nanoscópico, as correlações quânticas produziram um efeito análogo ao da energia adicionada. A direção do fluxo foi invertida sem violar a segunda lei da termodinâmica. Pelo contrário, se levarmos em consideração elementos da teoria da informação ao descrever a transferência de calor, encontramos uma forma generalizada da segunda lei e demonstramos o papel das correlações quânticas no processo. "

O experimento foi realizado com uma amostra de moléculas de clorofórmio (um átomo de hidrogênio, um átomo de carbono e três átomos de cloro) marcados com um isótopo carbono-13. A amostra foi diluída em solução e estudada usando um espectrômetro de ressonância magnética nuclear, semelhantes aos scanners de ressonância magnética usados ​​em hospitais, mas com um campo magnético muito mais forte.

"Nós investigamos as mudanças de temperatura nos spins dos núcleos dos átomos de hidrogênio e carbono. Os átomos de cloro não tiveram nenhum papel relevante no experimento. Usamos pulsos de radiofrequência para colocar o spin de cada núcleo em uma temperatura diferente, um refrigerador, outro aquecedor. As diferenças de temperatura eram pequenas, na ordem de dezenas de bilionésimos de 1 Kelvin, mas agora temos técnicas que nos permitem manipular e medir sistemas quânticos com extrema precisão. Nesse caso, medimos as flutuações de radiofrequência produzidas pelos núcleos atômicos, "Serra disse.

Os pesquisadores exploraram duas situações:em uma, os núcleos de hidrogênio e carbono iniciaram o processo não correlacionado, e no outro, eles eram inicialmente correlacionados com o quantum.

"No primeiro caso, com os núcleos não correlacionados, observamos o calor fluindo na direção normal, do quente ao frio, até que ambos os núcleos estivessem na mesma temperatura. No segundo, com os núcleos inicialmente correlacionados, observamos o calor fluindo na direção oposta, de frio a quente. O efeito durou alguns milésimos de segundo, até que a correlação inicial fosse consumida, "Serra explicou.

O aspecto mais notável desse resultado é que ele sugere um processo de refrigeração quântica em que a adição de energia externa (como é feito em refrigeradores e condicionadores de ar para resfriar um ambiente específico) pode ser substituída por correlações, ou seja, uma troca de informações entre objetos.

Demônio de maxwell

A ideia de que as informações podem ser usadas para reverter a direção do fluxo de calor - em outras palavras, para provocar uma diminuição local da entropia - surgiu na física clássica em meados do século XIX, muito antes de a teoria da informação ser inventada.

Foi um experimento mental proposto em 1867 por James Clerk Maxwell (1831-1879), quem, entre outras coisas, criou as famosas equações clássicas do eletromagnetismo. Neste experimento mental, que gerou uma polêmica acalorada na época, o grande físico escocês disse que se houvesse um ser capaz de saber a velocidade de cada molécula de um gás e de manipular todas as moléculas em escala microscópica, esse ser poderia separá-los em dois destinatários, colocar moléculas mais rápidas que a média em uma para criar um compartimento quente e moléculas mais lentas que a média na outra para criar um compartimento frio. Desta forma, um gás inicialmente em equilíbrio térmico devido a uma mistura de moléculas mais rápidas e mais lentas iria evoluir para um estado diferenciado com menos entropia.

Maxwell pretendia que o experimento mental provasse que a segunda lei da termodinâmica era meramente estatística.

"O ser que ele propôs, que era capaz de intervir no mundo material em escala molecular ou atômica, ficou conhecido como "demônio de Maxwell". Foi uma ficção inventada por Maxwell para apresentar seu ponto de vista. Contudo, agora somos capazes de operar em escalas atômicas ou até menores, para que as expectativas usuais sejam modificadas, "Serra disse.

O experimento realizado por Serra e colaboradores e descrito no artigo que acaba de ser publicado é uma demonstração disso. Não reproduziu o experimento mental de Maxwell, claro, mas produziu um resultado análogo.

“Quando falamos de informação, não estamos nos referindo a algo intangível. A informação requer um substrato físico, uma memoria. Se você quiser apagar 1 bit de memória de uma unidade flash, você tem que gastar 10, 000 vezes uma quantidade mínima de energia que consiste na constante de Boltzmann vezes a temperatura absoluta. Esse mínimo de energia necessário para apagar informações é conhecido como princípio de Landauer. Isso explica por que apagar informações gera calor. As baterias do notebook são consumidas pelo calor mais do que qualquer outra coisa, "Serra disse.

O que os pesquisadores observaram foi que as informações presentes nas correlações quânticas podem ser utilizadas para realizar trabalhos, neste caso, a transferência de calor de um objeto mais frio para um mais quente, sem consumir energia externa.

"Podemos quantificar a correlação de dois sistemas por meio de bits. As conexões entre a mecânica quântica e a teoria da informação estão criando o que é conhecido como ciência da informação quântica. Do ponto de vista prático, o efeito que estudamos poderia um dia ser usado para resfriar parte do processador de um computador quântico, "Serra disse.