Motor quântico: investigadores chineses exploram o entrelaçamento como combustível

Enquanto os fabricantes de automóveis ainda disputam a melhor bateria, os físicos já investigam algo inteiramente diferente: um motor que não necessita de gasolina, hidrogénio nem electricidade convencional. Em vez disso, recorre a um fenómeno invulgar do mundo quântico - e põe em causa uma das premissas fundamentais da termodinâmica.

O que está por trás da ideia de um «motor quântico»

No centro desta investigação está o chamado entrelaçamento quântico. Neste fenómeno, duas ou mais partículas comportam-se como um único sistema, independentemente da distância que as separa. Quando o estado de uma delas muda, o estado da outra fica imediatamente determinado.

Albert Einstein chamou-lhe, em tempos, «acção fantasmagórica à distância». Actualmente, o entrelaçamento é um dos pilares da investigação quântica. Habitualmente, surge em discussões abstractas sobre computadores quânticos ou comunicações encriptadas. Agora, passa subitamente a funcionar como o «combustível» de um motor.

Um motor que obtém a sua potência do entrelaçamento quântico poderá deslocar limites de eficiência até agora considerados intocáveis.

A lógica é a seguinte: quando as partículas se encontram num estado entrelaçado, o seu comportamento termodinâmico difere do das partículas clássicas. Com uma arquitectura adequada, essa diferença pode ser aproveitada para transformar energia quântica ordenada em movimento direccionado.

Como investigadores chineses construíram o primeiro motor quântico deste tipo

O trabalho agora publicado foi realizado por uma equipa da Academia Chinesa de Ciências. Em laboratório, os investigadores montaram um «motor» mínimo, mas real - extremamente pequeno, integralmente em vácuo e controlado por lasers.

Iões aprisionados como pistões de trabalho

O meio de trabalho é constituído por iões de cálcio electricamente carregados. Estes iões são mantidos num sistema conhecido como armadilha de iões. De forma simplificada, campos eléctricos suspendem as partículas sem contacto mecânico e arrefecem-nas até temperaturas extremamente baixas.

Porquê tanto esforço? Apenas a temperaturas muito baixas é possível controlar com precisão o estado quântico. O calor do ambiente perturbaria o entrelaçamento e tornaria o efeito menos definido.

Lasers substituem a vela de ignição e a injecção

Os investigadores irradiam os iões com impulsos laser ajustados com extrema precisão. Estes impulsos desempenham duas funções:

• Colocam os iões em níveis de energia quântica definidos.
• Criam um entrelaçamento direccionado entre vários iões.

Na perspectiva da física dos motores convencionais, os lasers assumem, de certo modo, o papel do fornecimento de combustível e da ignição: fornecem energia e levam o sistema a realizar trabalho. No entanto, isso não acontece por combustão ou tensão eléctrica, mas através de transições entre estados quânticos.

O ponto essencial é que o entrelaçamento dos iões altera a eficiência com que a energia laser fornecida pode ser convertida numa oscilação orientada dos iões - ou seja, em energia mecânica.

O que revelaram as medições do motor quântico

Para obter dados fiáveis, os investigadores realizaram mais de 10.000 ciclos com parâmetros ligeiramente alterados. Em cada ensaio, a equipa variou o grau de entrelaçamento e mediu a potência mecânica resultante do motor.

Quanto maior era o entrelaçamento dos iões, maior era a eficiência medida do motor - uma relação clara.

Em termos práticos, o motor aproveita de forma significativamente mais eficaz a energia induzida por laser quando os iões estão num estado de forte entrelaçamento. Sem entrelaçamento, o sistema continua a funcionar, mas com um rendimento visivelmente inferior.

Por isso, os investigadores descrevem o entrelaçamento como um recurso, comparável às diferenças de temperatura ou à energia química nas máquinas clássicas. A diferença é que, neste caso, o recurso resulta directamente da correlação quântica.

A termodinâmica posta à prova

Para os físicos, há um aspecto particularmente relevante: o motor aproxima-se de intervalos de eficiência difíceis de imaginar no quadro da termodinâmica clássica. Isto não significa que as leis da natureza sejam violadas. Mostra, antes, que as fórmulas antigas para motores ideais não incluíam correlações quânticas e, por isso, deixam de abranger todos os efeitos nesta situação específica.

Há já alguns anos que os físicos desenvolvem uma «termodinâmica quântica» capaz de integrar estes cenários em novas equações. O motor agora demonstrado está entre os primeiros sistemas práticos nos quais essas teorias podem ser testadas.

Para que servem, afinal, estes motores?

A configuração experimental actual não substitui a propulsão de um automóvel nem uma unidade de cogeração. Apenas movimenta iões numa armadilha. Ainda assim, é possível delinear perspectivas concretas.

Aplicações à nanoescala e na informática quântica

Nas próximas décadas, as possíveis áreas de aplicação poderão incluir:

• Arrefecimento local em processadores quânticos, extremamente sensíveis ao calor.
• Nanomáquinas que realizem movimentos mecânicos minúsculos em chips de laboratório ou sistemas de sensores.
• Metrologia de precisão, na qual variações energéticas muito pequenas são convertidas em sinais mecânicos.
• Gestão de energia em computadores quânticos, onde o entrelaçamento já pode ser amplamente explorado.

Em todos estes casos, não se trata de levar muitos quilowatts-hora de um depósito até à estrada, mas de controlar de forma optimizada os fluxos de energia à escala micrométrica.

Um longo caminho até à tecnologia do quotidiano

Apesar das manchetes espectaculares, a distância até uma tecnologia de uso diário continua a ser grande. A montagem experimental exige:

Uma instalação laboratorial deste género adequa-se mais a uma instituição de investigação do que a um automóvel ou à casa das máquinas de um edifício. Para já, o essencial é verificar os princípios fundamentais e retirar deles regras gerais.

O significado de conceitos como entrelaçamento e motor quântico

Quem vê apenas marketing em termos como «motor quântico» não terá razão neste caso. O projecto enquadra-se numa longa tradição teórica: há anos que os físicos formulam modelos de «máquinas térmicas quânticas», baseadas em poucas partículas e concebidas para explorar deliberadamente correlações quânticas.

O trabalho actual demonstra que estes conceitos não podem apenas ser calculados no papel: também produzem efeitos mecânicos em laboratório. É precisamente aí que reside o avanço face a muitas publicações anteriores.

A passagem da equação para o movimento mensurável assinala o momento em que a teoria pode tornar-se tecnologia - ainda que, inicialmente, à escala laboratorial.

O entrelaçamento pode ser explicado de forma ilustrativa, embora simplificada, assim: em vez de cada partícula possuir um estado próprio, várias partículas partilham um estado comum. Esta descrição conjunta impede que sejam consideradas totalmente independentes umas das outras. Daí resulta o tipo particular de correlação aproveitado pelo motor.

Riscos, questões em aberto e a razão para tanta investigação agora

Estes motores não apresentam um risco directo. As energias utilizadas são mínimas e os sistemas encontram-se isolados. Mais relevantes são as questões ainda sem resposta:

• Até que dimensão poderá um motor deste tipo ser ampliado antes de as perturbações destruírem o entrelaçamento?
• O esforço técnico compensa realmente do ponto de vista energético quando se incluem todos os sistemas auxiliares?
• Com que fiabilidade será possível controlar o entrelaçamento em configurações mais complexas?

Apesar destas incertezas, a investigação quântica recebe muito financiamento. Quem compreender hoje como converter correlações quânticas em fluxos de energia e informação poderá amanhã assumir vantagem não apenas nos computadores quânticos, mas também em novos sensores, conceitos de baterias ou, precisamente, motores minúsculos.

Para o público em geral, a principal mensagem da experiência actual é esta: a forma como pensamos a energia, o trabalho e a eficiência está a alargar-se. O foco já não recai apenas em novos tipos de baterias ou combustíveis alternativos, mas também em efeitos que durante muito tempo pareceram «pura teoria» - e que agora começam lentamente a accionar máquinas reais.