Tunelamento quântico: estudo revela embaralhamento de informação em reações químicas

Em um estudo publicado recentemente na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, uma equipe de físicos teóricos e químicos das universidades Rice e Illinois Urbana-Champaign, ambas nos EUA, usou técnicas de mecânica quântica (função de onda e integrais de caminho) para analisar uma reação química relativamente simples.

O experimento resultou em um embaralhamento da informação quântica das partículas envolvidas a uma velocidade impressionante, quase tão rápida quanto a mais extrema forma de embaralhamento de informações conhecida no Universo: a singularidade de um buraco negro. 

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Na prática, os pesquisadores trabalharam com uma ferramenta antiga, de mais de 50 anos, para analisar a supercondutividade. O objetivo era conectar a tradicional física semiclássica (que descreve o mundo macroscópico) com as sutilezas dos efeitos quânticos (que explicam fenômenos no mundo microscópico). 

A bagunça do tunelamento quântico

No tunelamento quântico, uma partícula mais fraca atravessa uma barreira de energia.

No terreno das reações químicas, uma diferença fundamental entre a mecânica clássica e a mecânica quântica é a capacidade de tunelamento. Na física do dia a dia, uma partícula precisa ter energia igual ou superior a uma barreira para que a reação ocorra, mas, na física quântica, existe a possibilidade de tunelamento, ou seja, passar através da barreira energética, mesmo com energia mais baixa.

Esses "transgressores" quânticos são sistemas que podem levar a transições inesperadas e comportamentos imprevisíveis do sistema, o que torna muito difícil mapear a evolução dos estados quânticos. Isso significa que, mesmo tendo um bom conhecimento do estado inicial do sistema, o tunelamento quântico pode produzir comportamentos caóticos.

Para quantificar o grau de caos do sistema quântico, os pesquisadores usaram OTOCs (sigla em inglês para correlacionadores fora da ordem temporal), uma ferramenta para entender o caos quântico. Eles fazem isso, correlacionando as propriedades do sistema em diferentes momentos no tempo, mesmo que não estejam em ordem cronológica.

Aplicações práticas para a pesquisa de física quântica

Reduzir o tunelamento é importante para computadores quânticos.

No estudo, cálculos feitos com OTOCs mostraram que reações químicas com baixa energia de ativação em baixas temperaturas, portanto regiões com prevalência do tunelamento, podem chegar a um ponto de embaralhamento em que a entropia (desordem em um sistema) e a informação chegam a um paradoxo não explicável no mundo clássico: o que aconteceria se a informação caísse em um buraco negro? 

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A coautora Nancy Makri analisou o que acontece quando o modelo de reação química simples é incorporado em um sistema maior, como vibrações da molécula grande ou um solvente, e tende a suprimir o movimento caótico. Calculando o OTOC para um sistema de túneis interagindo com um ambiente maior, o resultado foi que a confusão foi extinta, diz o estudo. 

Os resultados da pesquisa podem ser aplicados para estabelecer limites sobre os sistemas de tunelamento na construção de qubits para computadores quânticos. Ou seja, reduzir o embaralhamento de informações é fundamental na construção desses dispositivos.

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