A maioria de nós viu as manchetes em julho de 2021 sobre a criação de um cristal do tempo em um computador quântico pelo Google e como isso poderia ser o maior avanço na física até hoje. Alguns de nós realmente tentamos ler essas notícias. Claro, eles foram muito legais com suas alegações de quebrar as leis da termodinâmica e da tecnologia pendente de warp drive, pelo menos até encontrarmos palavras desconcertantes como qubits, estado próprio e periodicidade (mandando a maioria de nós de volta ao Instagram).
No entanto, isto é algo fascinante, mas a ciência por trás disso é incrivelmente avançada e em grande parte ainda teórica. Tanto é verdade que muitos cientistas não conseguem entender completamente o que faz um cristal do tempo funcionar. Às vezes, porém, quando você divide um tópico esotérico e o examina em segmentos, todo o conceito lentamente se torna mais claro. Então vamos tentar…
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10 Um físico com um sonho e uma frase cativante
Introduzidos pela primeira vez em 2012 pelo ganhador do Nobel Frank Wilczek, professor de física no MIT, os cristais de tempo foram propostos como uma fase teórica da matéria que exibiria periodicidade temporal. Itens com periodicidade têm qualidades que se repetem em intervalos, e cristais (pense em flocos de neve) têm padrões que se repetem no mundo 3D, um exemplo de periodicidade no espaço. Wilczek teorizou que, através do uso de dispositivos de matéria condensada capazes de observar coisas incrivelmente pequenas, ele poderia detectar padrões em partículas que também se repetem na dimensão do tempo. (Neste ponto, a maioria das pessoas já está confusa, então se é assim que você se sente, você está exatamente onde deveria estar.)
Quando os líquidos congelam, as moléculas dentro dele se aproximam umas das outras em um arranjo estável conhecido como estado de energia mais baixo. Assim, as gotículas de água no céu transformam-se em flocos de neve quando a temperatura cai, as moléculas de hidrogénio e de oxigénio estendem-se e formam uma estrutura hexagonal e cristalina por razões não totalmente compreendidas. Este é um exemplo de quebra espontânea de simetria – um termo que pode ser confuso, pois parte da beleza de um cristal de floco de neve é a simetria dos seis braços ou ramos que formam sua estrutura. Como então poderia estar quebrando a simetria? O que da?
A água tem uma certa simetria porque tem a mesma aparência e sensação o tempo todo; as moléculas estão dispostas de forma consistente. Mas à medida que um floco de neve se forma, a sua estrutura molecular sente-se compelida a quebrar essa simetria, formando seis ramos a partir de um prisma central. Wilczek propôs que durante o estado de energia mais baixo de um sistema mecânico quântico, conhecido como simetria translacional no tempo, também pode ser quebrado na 4ª dimensão geralmente intangível. Assim, isso produziria um cristal de tempo observável, semelhante a como os flocos de neve e outros cristais 3D (quartzo, diamantes, etc.) quebram a simetria translacional espacial.
Se tudo isso parece bobagem complicada, junte-se ao clube acadêmico. Os colegas de Wilczek tiveram dificuldade em compreender o conceito na sua totalidade. Eles desacreditaram o seu modelo de trabalho e, embora a sua investigação inspirasse mais debate, sentiram que ele estava a ladrar para o lado errado de uma árvore muito obscura. Mas havia algo nesse termo – cristal do tempo – que parecia animar muitas conversas colegiais. O nome parecia legal demais para não ser repetido dentro dos limites dos refeitórios universitários, junto com termos como “buraco negro”, “matéria escura” e “Comic-Con”. Esse interesse ajudou a manter a teoria de Wilczek sob discussão contínua. [1]
Uma boa campanha sempre começa com um slogan forte…
9 Estabelecendo algumas regras básicas
Durante os primeiros quatro anos após a publicação do artigo de Wilczek, não apenas seu modelo de trabalho foi desconsiderado, mas todo o conceito de cristais de tempo também foi declarado absolutamente impossível por pesquisadores do Centro Europeu de Radiação Síncrotron em Grenoble, França, e da Universidade de Tóquio. . É claro que, quase imediatamente após essas declarações negativas, outros pesquisadores começaram a procurar exceções à regra estabelecida que, afinal, pudessem funcionar.
O conceito de cristais de tempo discreto se espalhou por todo o mundo da física quântica – a palavra “discreto” denota uma forma distinta de simetria rompendo com o pano de fundo de uma simetria contínua. Os flocos de neve são, novamente, um bom exemplo disso. À medida que se formam no ar frio, os delicados ramos que crescem têm uma simetria própria, distinta pelo contraste com a suavidade da água líquida.
Os cristais de tempo discreto foram, portanto, teorizados como tendo a capacidade de quebrar a simetria translacional do tempo, pelo menos quando são atingidos por um laser ou outra força motriz. E essas partículas devem atingir uma periodicidade de spin própria que se repete em múltiplos da periodicidade dessa força motriz. Parece confuso ainda? Mesmo para colegas físicos, isso fica bastante confuso a ponto de fazer a física newtoniana parecer uma leitura fácil. Portanto, para entender melhor os cristais de tempo discreto, algumas regras básicas tiveram que ser estabelecidas:
O primeiro critério afirma que o cristal deve ser robusto, o que basicamente significa que deve ser forte o suficiente para manter seu estado atual, apesar das flutuações externas dentro de uma faixa específica – assim como um cristal de floco de neve permanece em seu estado físico atual, apesar de pequenas mudanças de temperatura que possam ocorrer. abaixo de 0°C (32°F). Da mesma forma, um cristal do tempo real mantém-se no deserto da ruptura quântica.
A segunda regra exige que um cristal de tempo discreto seja imune à energia térmica do impulso que induz seu estado quântico atual. Basicamente, não é permitido aquecer. A maneira de fazer isso é através do que é conhecido como localização de muitos corpos, ou MBL, que fornece desordem suficiente dentro do sistema para permitir interferência destrutiva ou o ato de ondas opostas se anulando. Isso evita que o cristal aqueça e perca estabilidade. [2]
Então… com o conceito de cristais do tempo significativamente renovado, era hora de tentar tudo novamente. E havia muitos cientistas ansiosos e prontos para enfrentar esse desafio!
8 Abordando os Cristais do Tempo de um Ângulo Diferente
Em 2016, foram realizados dois experimentos muito importantes utilizando esse novo conceito. Primeiro, o Dr. Christopher Monroe, da Universidade de Maryland, afirmou ter sucesso na criação do primeiro vislumbre de um cristal do tempo discreto. A equipe de Monroe prendeu uma cadeia de íons itérbio-171 em campos eletromagnéticos de radiofrequência, manipulando e observando seus estados de spin enquanto atacavam os pequeninos com lasers.
Isso fez com que oscilassem com um múltiplo inteiro da periodicidade do impulso – uma dança própria e um sinal claro de que um cristal de tempo discreto havia sido alcançado. Um bom visual para esse fenômeno pode ser uma porção de gelatina balançando com uma frequência própria, apesar de você balançar o prato no sentido contrário. O cristal do tempo desenvolveu uma oscilação subharmónica estável e robusta que se manteve verdadeira mesmo quando de outra forma perturbada e cutucada, até que a sua frequência se tornou demasiado forte para ser mantida, fazendo com que “derretesse” a um nível quântico.
Nesse mesmo ano, em Harvard, uma equipa liderada pelo professor Mikhail Lukin obteve resultados semelhantes utilizando um diamante defeituoso com centros de lacunas de azoto (uma impureza comum). No entanto, eles utilizaram um acionador de micro-ondas em vez de um laser para induzir giros de elétrons acoplados. Os cristais de tempo também foram definidos teoricamente ou detectados por observação em vários outros experimentos separados. Os pesquisadores até encontraram indícios de que eles ocorrem naturalmente nos cristais de fosfato monoamônico comumente cultivados por crianças nas aulas de ciências.
Mas estas experiências e conclusões foram recebidas com cepticismo, apesar das suas alegações de sucesso. Muitos cientistas decidiram que precisavam de um método melhor para confirmar a existência de cristais do tempo. Assim, recorreram a outra novidade no campo da física superior, a computação quântica, para compreender melhor a quebra da simetria do tempo. [3]
7 O que há de tão especial no tempo?
Antes de podermos compreender completamente os cristais do tempo ou o fascínio que os cientistas têm por eles, primeiro precisamos entender o quão indescritível e intangível é realmente a chamada 4ª dimensão, apesar do fato de literalmente existirmos e viajarmos através dela a cada momento de nossa vida. vidas. Os físicos têm dificuldade em compreender o fluxo do tempo – tanto literal quanto figurativamente. Contanto que os números no quadro-negro sejam somados, eles simplesmente consideram isso um dado adquirido, como qualquer outra pessoa. No entanto, muitos deles questionam a posição do tempo como uma dimensão real, pois certamente não funciona como as três primeiras. Uma pessoa pode ficar imóvel dentro do nosso mundo 3D (pelo menos em relação ao chão sob seus pés), mas apenas tente ficar imóvel no tempo. Muitas pessoas tentaram; todos falharam.
No século 4, o filósofo Aristóteles fez o possível para compreender o tempo. Ele fez uma nota sombria sobre o assunto quando escreveu: “O tempo desmorona as coisas; tudo envelhece sob o poder do Tempo e é esquecido com o passar do Tempo.” Este parece ser um comentário muito antigo sobre o tema da entropia. E treze séculos depois, o físico/astrônomo Sir Isaac Newton teorizou que o “tempo absoluto” só é evidente na matemática. O que nós, como humanos, percebemos é o “tempo relativo”, mensurável pelo movimento de objetos como o sol ou a lua.
É claro que Albert Einstein popularizou o conceito de espaço-tempo em sua teoria da relatividade, vinculando as três dimensões espaciais e o tempo em uma variedade quadridimensional. Ele também descreveu como a gravidade poderia curvar o tempo, uma teoria que é verdadeira, conforme evidenciado pelos nossos satélites GPS. Na altitude de 20.200 quilômetros (10.900 milhas náuticas), a gravidade é quatro vezes mais fraca. Portanto, os relógios no espaço funcionam 45 microssegundos mais rápido a cada dia do que os relógios na Terra. Isto é compensado por outra lei da relatividade, que afirma que os relógios que se movem muito rapidamente funcionam mais devagar do que os estacionários, sendo que esses mesmos relógios de satélite funcionam sete microssegundos mais devagar. Depois de levar em conta ambos os fatores, eles funcionam cerca de 38 milionésimos de segundo mais rápido a cada dia do que os relógios daqui. Se não fosse pela compensação informatizada, esta pequena disparidade resultaria no mau funcionamento do GPS em apenas dois minutos. [4]
Tudo bem – toda a matemática no quadro-negro faz sentido e sabemos como usá-la, mas como realmente tocamos no tempo? Como podemos nos afastar dele para melhor examiná-lo? Como podemos tocá-lo ou mesmo senti-lo senão através da sensação fugaz e efêmera de “agora”? Bem, em Stuttgart, na Alemanha, os cientistas podem ter captado evidências visuais do tempo em vídeo!
6 Pego farreando na câmera
Bem, 2021 foi certamente um ano agitado e empreendedor no desenvolvimento de cristais do tempo. Na verdade, em fevereiro, um deles foi capturado em vídeo no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, em Stuttgart. Uma equipe de pesquisadores germano-poloneses destruiu uma faixa magnética com um campo de micro-ondas para criar um cristal de tempo oscilante do tamanho de um micrômetro a partir de magnons dispostos ordenadamente em uma fileira. Magnons são quasipartículas (se isso ajudar). Eles dançaram para frente e para trás em ritmo perfeito, desaparecendo e reaparecendo em sua própria coreografia quântica.
O cristal também deu as boas-vindas a outros magnons no clube quando foram apresentados. Em uníssono, eles saltavam para frente e para trás com periodicidade precisa entre dois estados físicos separados. A criação deste cristal do tempo foi significativamente inovadora, e o vídeo, feito com um microscópio de raios X, é surpreendente quando você sabe exatamente o que está assistindo. O cristal também era único por seu tamanho relativamente grande e por existir à temperatura ambiente (e não em um ambiente super-resfriado). A sua concepção também sugere que os cristais do tempo são mais difundidos e robustos do que se pensava inicialmente.
Mas essa não foi a única contribuição no estudo dos cristais do tempo da Sociedade Max Planck em 2021. O diretor do Instituto de Física de Sistemas Complexos, Dr. Roderich Moessner, fez parte da equipe de físicos universitários que trabalham com o Google construir o primeiro cristal do tempo com um computador quântico. E realmente, dificilmente se poderia encontrar um local mais adequado para preparar um dos pequenos insetos quânticos. [5]
5 O que exatamente é um computador quântico?
Muitas pessoas confundem computação quântica com supercomputadores, que na verdade são apenas mainframes com desempenho ultrapoderoso. Enquanto a computação clássica ou binária depende de bits para armazenar informações em valores de 0 ou 1, os computadores quânticos dependem de qubits (bits quânticos). Eles podem representar os valores de 0, 1 ou ambos simultaneamente em um estado denominado superposição, até que um resultado seja determinado. A interação entre dois ou mais qubits é chamada de emaranhamento. Quando as informações são armazenadas em superposição, os cálculos são executados exponencialmente mais rápido por número de qubits.
Então, do que são feitos os qubits? Bem… você não pode exatamente comprá-los na Best Buy. O altamente divulgado computador quântico processador Sycamore do Google continha 54 qubits supercondutores de popa (dos quais apenas 53 eram funcionais) feitos de placas de alumínio com cerca de 100 mícrons de diâmetro, a largura de vários fios de cabelo. Estamos realmente falando de processamento de informações em escala infinitesimal. E como é o aparelho real?
O Sycamore é um elaborado conjunto de luzes e filamentos cercados por enxames de fios trançados, todos pendurados de cabeça para baixo dentro dos limites de um criostato, já que são necessárias temperaturas extremamente baixas para manter os qubits funcionando corretamente em um nível quântico. Tudo isso está contido em um invólucro que lembra uma lata gigante, com controles periféricos e equipamentos ocupando uma sala inteira. Como resultado, o Sycamore do Google nunca correrá o risco de ser confundido com um de seus Chromebooks muito mais portáteis.
Nem todos os computadores quânticos são parecidos, já que muitas empresas diferentes os fabricam, e são construídos com projetos específicos em mente. No entanto, eles são capazes de deduções incrivelmente rápidas. Em outubro de 2019, o Google reivindicou “supremacia quântica” sobre os supercomputadores quando seu Sycamore resolveu um problema de números aleatórios em 3 minutos e 20 segundos – um feito que o IBM Summit levaria cerca de 10.000 anos. Em resposta, a IBM rapidamente criou um algoritmo que reduziu significativamente a lacuna. Mesmo assim, o Sycamore levou o prêmio. Mas cuidado, Google, pois a IBM está planejando construir um computador quântico com um chip Condor de 1121 qubits até 2023. E ambas as empresas têm planos de construir processadores com 1 milhão de qubits até 2030, o que tornaria o Sycamore, com 54 qubits (1 quebrado), parecem tão antiquados quanto uma conexão discada à Internet.
Mas como essas coisas pensam? Os computadores quânticos lidam com possibilidades e probabilidades, enquanto a computação tradicional emprega transistores para processar operações inflexíveis. Imagine um labirinto enorme e intrincado entre o ponto inicial A e o ponto final B. A computação clássica acabaria por navegar através do labirinto até o ponto B com sucesso por tentativa e erro. No entanto, a computação quântica analisaria todas as possibilidades simultaneamente antes de chegar à resposta correta em muito menos tempo. E claramente, essa é uma forma mais eficiente de pensar.
Mas, além de competir contra computadores tradicionais e inspirar projetos de pesquisa futuros, a computação quântica não tinha feito muito para se provar uma parte necessária da pesquisa científica, pelo menos até começar a falar sobre o uso do Sycamore do Google para criar um cristal do tempo. E o Google ficou mais do que feliz em mostrar sua maravilha quântica mais uma vez… [6]
4 Qubits cravejados de diamantes
Parece, no entanto, que a equipe do Google não foi a primeira a criar um cristal do tempo usando qubits e um computador quântico. Um instituto na Holanda chamado QuTech anunciou o seu sucesso em Março de 2021, utilizando rotações nucleares num diamante para demonstrar o seu “novo estado da matéria”. Seu cristal existiu apenas por cerca de oito segundos antes de começar a decair por meio de interações ambientais. No entanto, em um sistema perfeitamente isolado, ele poderia ter girado o quanto quisesse para sempre.
A QuTech colaborou com a Element Six, uma fornecedora industrial de diamantes artificiais, e com a UC Berkeley para criar seu bebê a partir de apenas nove qubits. Embora trabalhassem de forma independente da equipe do Google, ambos os projetos estavam ativos simultaneamente. Seu experimento também foi uma boa representação de quão diversos e individuais os computadores quânticos são tanto no design quanto na implementação. [1]
3 A vez do Google na quebra de simetria temporal
O sucesso do Google na criação de um cristal de tempo discreto no verão de 2021 foi muito mais divulgado do que o experimento QuTech porque, bem… Google é o Google, uma empresa de tecnologia multinacional megapoderosa com um esquema de cores reconhecível que todos vemos todos os dias. Mas o poder acadêmico do time dos sonhos colaborador também teve muita influência. Estamos falando, para começar, de cientistas do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos, da Universidade de Stanford, da Universidade de Oxford e, claro, do Google Quantum AI Lab, que tem parceria com a NASA.
Essa colaboração trouxe aspirações mistas para seu experimento, além de apenas criar um cristal do tempo. Os físicos visitantes também estavam ansiosos para ver o que o Sycamore do Google poderia oferecer para futuros projetos de pesquisa explorando a física da matéria condensada, que é basicamente o estudo das forças eletromagnéticas entre átomos de líquidos e sólidos. E o Google ficou mais do que feliz em utilizar a natureza experimental de seu computador quântico além de meros cálculos, já que eles não haviam feito muita coisa com ele além de apresentar a IBM dois anos antes.
O cristal de tempo da equipe, feito de 20 qubits, existiu por apenas oito décimos de segundo. No entanto, durante esse tempo, o computador observou mais de um milhão de estados quânticos individuais de sua criação, até mesmo avançando e retrocedendo no tempo (fascinante por si só), tudo para garantir que mostrasse oscilações indefinidas em cada um. Mas embora o cristal parecesse perfeito, o seu ambiente não era. E assim como aquele inventado na QuTech, decaiu devido à interferência. Embora estivesse ativo, no entanto, ele atendeu a todos os critérios mencionados anteriormente para ser cortado como um genuíno cristal de tempo discreto!
O Google, é claro, recebeu a maior parte das manchetes e da atenção da imprensa por criar uma nova fase do assunto. Os dezenas de académicos envolvidos no projecto ficaram muito orgulhosos de ter os seus nomes no artigo, que apareceu na edição de 30 de Novembro da revista científica Nature . Além disso, ambas as equipes do Google e da QuTech mostraram as possibilidades quase ilimitadas de explorar a física teórica um dia em breve por meio de uma próxima geração de computadores quânticos. E estes já provaram que são capazes de fazer mais do que apenas calcular números e navegar por labirintos. [8]
2 Então…Quebramos as Leis da Termodinâmica ou não?
Depois que a equipe do Google anunciou a criação de seu tempo, surgiram manchetes sensacionalistas, muitas delas declarando uma violação das leis da termodinâmica e um avanço no movimento perpétuo. Estas são afirmações monumentais que vão contra o conceito empírico básico da física. E seriam absolutamente surpreendentes se fossem verdade. Mas eles não são.
A primeira e a segunda leis da termodinâmica foram firmemente estabelecidas na comunidade científica desde meados do século XIX. A primeira trata da conservação da energia, que não pode ser criada ou destruída dentro de um sistema fechado, nem tão pequeno como o nível molecular, nem tão grande como o próprio universo. A segunda trata do conceito inevitável de entropia e adverte que a energia num sistema fechado acabará por reverter para uma desordem uniforme.
Ambas as leis provam a impossibilidade de uma máquina de movimento perpétuo, já que a energia usada para carregar o dispositivo seria pelo menos convertida em calor através do atrito. Os padrões orbitais dos planetas do nosso sistema solar são frequentemente considerados como tendo movimento perpétuo. Mas devido a uma perda de energia infinitamente pequena através das ondas gravitacionais, elas estão, na verdade, espiralando lentamente em direção ao sol. (Devemos consolar-nos, no entanto, com o facto de que é mais provável que o Sol exploda numa estrela gigante vermelha e se expanda para nos encontrar muito mais cedo do que a Terra descerá para o encontrar!)
Os cristais de tempo, no entanto, parecem quebrar as leis da termodinâmica, assim como quebram a simetria translacional do tempo, pois podem circular entre dois estados para sempre sem perder energia. Mas eles não existem de fato, contrariando qualquer lei existente da física, apesar de sua novidade e singularidade. Por um lado, as leis da termodinâmica não pertencem realmente ao nível quântico. Nesse caso, o sistema geral, incluindo a influência do impulso, conserva a energia como deveria, tornando o próprio cristal do tempo uma espécie de “brecha” individualizada. Em outras palavras, os cristais do tempo podem suspender as leis da termodinâmica indefinidamente sem nunca realmente quebrá-las. E isso com certeza parece uma brecha! [9]
Mas as lacunas são muitas vezes benéficas para aqueles que sabem como fazer bom uso delas. Por exemplo, as pessoas muitas vezes saltam de alegria com as brechas fiscais que lhes poupam dinheiro ou com as brechas legais que as mantêm fora da prisão. Então, como poderíamos aproveitar vantajosamente essa lacuna quântica que conhecemos como cristais do tempo?
1 O que podemos fazer com essas coisas?
A má notícia sobre o aspecto do movimento perpétuo dos cristais do tempo é que eles provavelmente são inúteis, pois os cristais estão em seu estado fundamental – o estado de menor energia possível. Seria como colocar pilhas descarregadas numa lanterna. E sendo feitos de partículas em estado quântico, eles não são o tipo de cristal que você pode usar no pescoço. Nem são bonitos nem brilhantes, e boa sorte mesmo vendo um pessoalmente com a tecnologia atual. Embora teoricamente possam durar para sempre, lembremo-nos de que o cristal do tempo do Google durou apenas oito décimos de segundo.
Mas vamos explorar isso por um momento, pois há uma grande diferença entre uma eternidade e oito décimos de segundo. Tecnicamente, o cristal do tempo que o Google criou era forte e robusto e, teoricamente, teria continuado a circular para frente e para trás para sempre. No entanto, o próprio chip Sycamore era defeituoso e limitado, como todos eles são. Além disso, o seu cristal era feito de qubits, que são vulneráveis à interferência do seu ambiente – uma condição chamada decoerência. Os pesquisadores estão tentando melhorar a eficiência dos computadores quânticos isolando melhor os processadores. Surpreendentemente, a resposta para o problema deles pode estar nos próprios cristais do tempo…
Imagine um computador quântico alimentado por cristais do tempo, que existem e flutuam sem queimar energia, não sendo assim vítimas da entropia (um declínio aleatório para a desordem) como o resto do maldito universo. Como mencionado acima, os qubits que atualmente executam computadores quânticos são frágeis e sofrem facilmente de decoerência, o que basicamente leva à entropia no seu emaranhamento. No entanto, o uso de cristais de tempo altamente estáveis proporcionaria emaranhamento sem entropia. Imagine a eficiência da computação quântica de próxima geração baseada em cristais de tempo e, com maior previsibilidade, os mistérios do nosso universo que eles poderão descobrir. Imaginemos os avanços na química para curar o cancro, os motores de dobra que nos impulsionam para estrelas distantes e as fontes de energia que não dependem de combustíveis fósseis. [10]
Imagine um mundo totalmente novo de computação, e ele estará chegando em breve!
