Motor quântico usa entrelaçamento para aumentar a eficiência

Em vez de gasolina, hidrogénio ou eletricidade, um novo protótipo de motor recorre a partículas minúsculas e a impulsos laser. Na origem está um conceito que, durante muito tempo, pareceu saído da ficção científica: uma máquina capaz de gerar movimento diretamente a partir de efeitos quânticos, aproximando-se dos limites clássicos da termodinâmica.

O que significa realmente «motor quântico»

À primeira vista, motor quântico pode soar a expressão de marketing, mas neste caso descreve literalmente o princípio em causa. O sistema assenta num fenómeno a que os físicos chamam «entrelaçamento». Nele, duas ou mais partículas comportam-se como se estivessem profundamente ligadas, independentemente da distância que as separa.

Quando o estado de uma partícula muda, o da outra altera-se ao mesmo tempo. Albert Einstein referiu-se, de forma irónica, a este comportamento como uma «ação fantasmagórica à distância». Atualmente, trata-se de um dos fundamentos da física quântica, medido com precisão e amplamente confirmado.

«Os investigadores já não usam mais combustível, mas sim a intensidade do entrelaçamento quântico como uma espécie de recurso energético.»

A proposta da equipa da Academia Chinesa de Ciências consiste em controlar e modificar deliberadamente este estado quântico especial, usando-o como ciclo de trabalho de um motor. O princípio é comparável ao dos pistões de um motor de combustão, embora funcione a um nível inteiramente diferente.

Até onde chegou realmente a experiência com o motor quântico

Ainda não se trata de automóveis, aviões ou foguetes, mas de uma configuração laboratorial extremamente precisa. No centro da experiência estão partículas carregadas, mais concretamente iões de cálcio. Estes ficam suspensos num sistema conhecido como armadilha de iões, uma espécie de jaula formada por campos eletromagnéticos que arrefece as partículas até temperaturas extremamente baixas e as mantém confinadas.

Lasers em vez de combustível

Dentro dessa armadilha, os investigadores atingem os iões com feixes laser cuidadosamente ajustados. A energia do laser põe os iões a oscilar, fazendo-os vibrar ao ritmo da experiência. Em simultâneo, as partículas são colocadas num estado de entrelaçamento. É a combinação entre a oscilação e o entrelaçamento que constitui o verdadeiro ciclo do motor.

• Os lasers fornecem impulsos de energia controlados.
• Os iões começam a oscilar mecanicamente.
• O entrelaçamento quântico estabelece uma ligação particularmente forte entre os iões.
• Daí resulta um processo termodinâmico inédito à escala quântica.

Esta interação permite converter a energia do laser em movimento dirigido de forma mais eficiente do que seria permitido pelos modelos clássicos.

Mais de 10.000 testes em laboratório

Para confirmar a fiabilidade do efeito, os investigadores repetiram a experiência milhares de vezes. Mais de 10.000 testes individuais indicam que, quanto maior é o entrelaçamento entre os iões, melhor funciona o motor. O rendimento mecânico aumenta de forma significativa, sem ser necessária potência laser adicional.

«O entrelaçamento atua como um amplificador: a mesma energia de entrada, mas mais energia de movimento utilizável no final.»

Para a física, esta conclusão tem grande peso. Desde o século XIX, as leis clássicas da termodinâmica eram consideradas quase intocáveis, incluindo as formuladas pelo físico francês Sadi Carnot. Porém, à escala de quanta individuais, torna-se evidente que a natureza dispõe de alguns mecanismos de ajuste que não conseguimos observar no quotidiano.

O motor quântico ultrapassa os limites da termodinâmica?

Os investigadores estão muito longe de criar uma máquina de movimento perpétuo, e é provável que assim continue a ser. Não existe energia criada do nada. Ainda assim, a escala quântica parece permitir deslocar certos limites conhecidos. Há já algum tempo que estudos teóricos apontavam o entrelaçamento como um recurso útil em processos termodinâmicos.

O motor agora testado oferece uma demonstração experimental dessas previsões: a eficiência pode superar o intervalo esperado pela física clássica, desde que o sistema permaneça suficientemente pequeno e fortemente inserido no domínio quântico. Em máquinas de grande dimensão, compostas por milhares de milhões de partículas, este efeito tende a desaparecer porque o ambiente interfere com o frágil sistema quântico.

Possíveis aplicações futuras deste motor

Mantém-se a questão prática: para que serve um motor que dificilmente se mantém estável à temperatura ambiente e em condições do dia a dia? Os investigadores identificam sobretudo três cenários em que os motores quânticos poderão vir a ter importância:

• Arrefecimento e alimentação de computadores quânticos: equipamentos de computação baseados na própria física quântica exigem fluxos de energia extremamente controlados. Um motor quântico poderia ser integrado diretamente nessas estruturas.
• Microssistemas e nanossistemas: pequenos acionamentos para sensores ou atuadores, por exemplo em tecnologia médica ou em sondas espaciais, poderiam beneficiar da elevada eficiência em escalas muito reduzidas.
• Novos padrões de metrologia: se for possível controlar com precisão o fluxo de energia ao nível quântico, poderão surgir novos métodos de medição de temperatura, força ou tempo.

Hoje, tudo isto ainda parece investigação fundamental, mas percursos semelhantes levaram também o laser, o transístor e a ressonância magnética nuclear até às aplicações quotidianas.

Os obstáculos que ainda se colocam aos investigadores

O percurso entre a configuração laboratorial e um produto pronto para o mercado continua a ser longo. O protótipo atual encaixa melhor num laboratório de física do que num automóvel. Exige alto vácuo, ótica laser complexa e todo um conjunto de eletrónica de controlo.

Os principais desafios para os próximos anos são os seguintes:

Apesar destas limitações, a experiência demonstra que a física quântica deixou há muito de ser apenas um campo de jogo para teóricos. Está a começar a intervir diretamente em áreas tecnológicas clássicas, como os motores, o arrefecimento e a gestão de energia.

O que os não especialistas devem saber sobre entrelaçamento e motores quânticos

Neste tema, surgem repetidamente dois conceitos que podem causar alguma confusão: entrelaçamento e energia cinética. Em termos simples:

• Entrelaçamento descreve uma ligação estreita entre os estados de várias partículas. Esta ligação pode ser controlada, mas só oferece vantagens se se mantiver estável.
• Energia cinética é simplesmente energia de movimento, quer se trate de uma bola de futebol em voo quer de um ião a oscilar no laboratório.

O ponto essencial deste novo motor é que não se limita a transformar a luz laser diretamente em oscilação: explora também o estado entrelaçado das partículas para tornar essa conversão especialmente eficiente.

As consequências para as tecnologias futuras podem ser amplas. É possível imaginar sistemas combinados nos quais fontes de energia clássicas - células solares, baterias e células de combustível - alimentam uma máquina quântica que, dentro de um chip ou módulo, distribui a energia com eficiência extrema. Ao mesmo tempo, aumentam as exigências de controlo: até perturbações mínimas podem destruir a delicada ligação entre as partículas.

É precisamente nesta tensão entre um enorme potencial e uma elevada fragilidade que reside o interesse da investigação atual. O motor agora demonstrado ainda está muito longe de qualquer tecnologia do quotidiano. Mas mostra que, à escala quântica, as regras segundo as quais pensamos há dois séculos sobre motores e eficiência podem ser reescritas.