O tempo segue em uma direção: para frente. Garotinhos se tornam homens velhos, mas não vice-versa; xícaras de chá quebram, mas nunca remontam espontaneamente. Essa propriedade cruel e imutável do universo, chamada de "flecha do tempo", é fundamentalmente uma consequência da segunda lei da termodinâmica, que determina que os sistemas sempre tenderão a se tornar mais desordenados ao longo do tempo. Mas recentemente, pesquisadores dos EUA e da Rússia dobraram a flecha um pouco - pelo menos para partículas subatômicas.
No novo estudo, publicado terça-feira (12 de março) na revista Scientific Reports, os pesquisadores manipularam a flecha do tempo usando um computador quântico muito pequeno, composto por duas partículas quânticas, conhecidas como qubits, que realizavam cálculos.
Na escala subatômica, onde as regras ímpares da mecânica quântica dominam, os físicos descrevem o estado dos sistemas através de um construto matemático chamado função de onda. Essa função é uma expressão de todos os estados possíveis em que o sistema pode estar - mesmo no caso de uma partícula, de todos os locais possíveis - e a probabilidade de o sistema estar em qualquer um desses estados em um dado momento . Geralmente, com o passar do tempo, as funções das ondas se espalham; a possível localização de uma partícula pode estar mais distante se você esperar uma hora do que se esperar 5 minutos.
Desfazer a propagação da função de onda é como tentar colocar o leite derramado de volta na garrafa. Mas é exatamente isso que os pesquisadores realizaram neste novo experimento.
"Basicamente, não há chance disso acontecer por si só", disse ao Live Science o pesquisador principal Valerii Vinokur, físico do Laboratório Nacional Argonne, em Illinois. "É assim que diz, onde, se você der uma máquina de escrever a um macaco e por muito tempo, ele poderá escrever Shakespeare". Em outras palavras, é tecnicamente possível, mas tão improvável que também pode ser impossível.
Como os cientistas fizeram o essencialmente impossível acontecer? Controlando cuidadosamente o experimento.
"Você realmente precisa de muito controle para fazer com que todos os pedaços quebrados de uma xícara de chá se juntem novamente", disse Stephen Bartlett, professor de física da Universidade de Sydney, à Live Science. Bartlett não estava envolvido no estudo. "Você precisa ter muito controle sobre o sistema para fazer isso ... e um computador quântico é algo que nos permite ter uma quantidade enorme de controle sobre um sistema quântico simulado".
Os pesquisadores usaram um computador quântico para simular uma única partícula, sua função de onda se espalhando ao longo do tempo como uma ondulação em uma lagoa. Em seguida, eles escreveram um algoritmo no computador quântico que reverteu a evolução do tempo de cada componente da função de onda, essencialmente puxando essa ondulação de volta para a partícula que a criou. Eles realizaram esse feito sem aumentar a entropia, ou desordem em outras partes do universo, aparentemente desafiando a flecha do tempo.
Isso significa que os pesquisadores fizeram uma máquina do tempo? Eles violaram as leis da física? A resposta é não a ambas as perguntas. A segunda lei da termodinâmica diz que a ordem do universo deve diminuir ao longo do tempo, mas não que nunca possa permanecer a mesma em casos muito especiais. E esse experimento foi pequeno o suficiente, curto o suficiente e controlado o suficiente para que o universo não ganhasse nem perdesse energia.
"É muito complexo e complicado enviar ondas para um lago de volta", uma vez criadas, Vinokur disse, "mas vimos que isso era possível no mundo quântico, em um caso muito simples". Em outras palavras, era possível quando eles usavam o controle que lhes era dado pelo computador quântico para desfazer o efeito do tempo.
Depois de executar o programa, o sistema voltou ao seu estado original 85% do tempo. No entanto, quando um terceiro qubit foi introduzido, o experimento teve sucesso apenas 50% das vezes. Os pesquisadores disseram que a complexidade do sistema provavelmente aumentou demais com o terceiro qubit, tornando mais difícil para o computador quântico manter o controle sobre todos os aspectos do sistema. Sem esse controle, a entropia não pode ser controlada e, portanto, a reversão do tempo é imperfeita. Ainda assim, eles estão buscando sistemas maiores e computadores quânticos maiores para seus próximos passos, disse Vinokur à Live Science.
"O trabalho é uma boa contribuição para os fundamentos da física", disse James Whitfield, professor de física do Dartmouth College, em New Hampshire, que não participou do estudo, à Live Science. "Isso nos lembra que nem todas as aplicações da computação quântica devem ser orientadas a aplicações para serem interessantes".
"É exatamente por isso que estamos construindo computadores quânticos", disse Bartlett. "Esta é uma demonstração de que computadores quânticos podem nos permitir simular coisas que não deveriam ocorrer no mundo real".
