Em última análise, trata-se de prever tudo – a teoria pode ser um mapa na busca por materiais quânticos
Crédito:Vendi Jukic Buca Um avanço na física teórica é um passo importante para prever o comportamento da matéria fundamental com a qual o nosso mundo é construído. Ele pode ser usado para calcular sistemas de enormes quantidades de partículas quânticas, um feito antes considerado impossível.
A nova pesquisa da Universidade de Copenhague pode ser de grande importância para o projeto de computadores quânticos e pode até ser um mapa para supercondutores que funcionam à temperatura ambiente. O artigo foi publicado na revista Physical Review X .
À margem da física teórica, Berislav Buca investiga o quase impossível por meio da matemática “exótica”. Sua última teoria não é exceção. Ao tornar possível calcular a dinâmica, ou seja, movimentos e interações, de sistemas com enormes quantidades de partículas quânticas, proporcionou algo que havia sido descartado na física. Uma impossibilidade tornada possível.
A presença inesperada de um gato branco enfeita as ilustrações da pesquisa de Buca. Pulci, o gato, é sua musa atraente. As setas no corpo do gato ilustram a origem da mecânica quântica dos movimentos do gato brincalhão – e é precisamente esta relação que Buca está tentando compreender ao tornar possível calcular a dinâmica das menores partículas.
A descoberta revigorou uma questão científica antiga e fundamental:teoricamente, se todo o comportamento no universo pode ser calculado através das leis da física, poderemos então prever tudo calculando as suas partículas mais pequenas?
"Muitas disciplinas da física tratam, em última análise, de explicar e prever o mundo, compreendendo as leis da física e calculando o comportamento das menores partículas. Em princípio, seríamos capazes de responder a qualquer pergunta possível sobre como todos os tipos de coisas se comportam se pudéssemos para", diz Buca, do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague.
“Em princípio, o comportamento de tudo no universo pode ser compreendido a partir das leis microscópicas que governam a dinâmica das partículas”, diz ele, ao mesmo tempo que apela rapidamente à prudência.
“É claro que não posso fazer isso”, diz o teórico.
Um atalho teórico evita o diabo nos detalhes
As interações e movimentos das partículas quânticas em seus sistemas são tão complexos, explica o pesquisador, que mesmo o supercomputador mais poderoso do mundo hoje só é capaz de realizar cálculos em uma dúzia dessas partículas por vez.
Ao mesmo tempo, um único átomo consiste em pelo menos duas partículas quânticas e um único grão de areia com cerca de 50 mil milhões de vezes mil milhões de átomos – para não falar de um gato ou de qualquer outra coisa que alguém queira compreender no nosso universo.
Crédito:Vendi Jukic Buca
"Portanto, na prática, não é possível. Atualmente não. No entanto, minha teoria é um passo significativo na direção certa. Isso ocorre porque é necessária uma espécie de atalho matemático para compreender a dinâmica do todo, sem que se perca o poder computacional nos detalhes para uma ampla classe de sistemas com muitas partículas quânticas, ou seja, sem a necessidade de calcular todas as partículas individuais de um sistema", explica Buca.
A teoria já ganhou fama ao fornecer a primeira prova matemática de uma hipótese de longa data na física teórica.
Até agora, a chamada hipótese de termalização de estados próprios tem sido uma suposição – uma suposição fundamentada – na física que ainda não tinha sido explicada matematicamente. Diz respeito à capacidade da matemática de descrever os movimentos dos sistemas quânticos como um todo.
Assim, a teoria de Buca já demonstrou o seu valor como investigação teórica básica e realizou o que os teóricos há muito consideravam impossível. Embora os resultados interessem principalmente as mentes brilhantes da física por enquanto, as consequências poderão eventualmente ser grandes para todos nós.
Uma bússola para o mapa do tesouro da mecânica quântica
Esse conhecimento pode acabar mostrando o caminho que se busca por materiais quânticos com propriedades tão únicas que possam transformar o nosso mundo.
Estes materiais quânticos são um pré-requisito para cravar as nossas garras em alguns dos maiores “pássaros no mato” científicos – como computadores quânticos estáveis ou mesmo supercondutores que funcionam à temperatura ambiente.
"Estamos procurando um material para computadores quânticos que possa suportar a entropia - uma lei da natureza que faz com que sistemas complexos - por exemplo, materiais - se decomponham em formas menos complexas. A entropia destrói a coerência necessária para que os computadores quânticos sejam estáveis e continuem funcionando, ", explica Buca.
Os sistemas matemáticos exóticos que inicialmente o inspiraram e tornaram possível o avanço de sua pesquisa podem ser exatamente o que um computador quântico precisa para ser verdadeiramente útil.
"Os chamados qubits com os quais um computador quântico teoricamente funciona devem estar em um estado de superposição para funcionar, o que significa que eles são simultaneamente ligados e desligados - em uma frase comum. Isso exige que eles estejam em um estado quântico estável. No entanto, a termodinâmica não gosta das estruturas exigidas pelos materiais atuais. Minha teoria pode nos informar se esses sistemas exóticos podem ser uma forma de estruturar as coisas para que esse estado quântico possa ser mais permanente”, diz Buca.
O método é um pouco como um roteiro que pode guiar os pesquisadores através de uma vasta paisagem de materiais possíveis, permitindo previsões de como esses materiais se comportariam em condições experimentais. Pela primeira vez, isto dá aos investigadores uma forma de direcionar a sua procura por materiais quânticos equipados com propriedades especiais.
“Até agora, a busca por esses materiais tem sido governada pelo acaso. Mas meus resultados podem, pela primeira vez, fornecer um princípio orientador para navegar na busca por propriedades únicas em materiais”, diz Buca.
