Computação quântica e demônio de Maxwell
Entre a multiplicidade de fenômenos naturais, o aquecimento é dos mais perceptíveis para os seres vivos e esteve diretamente relacionado com a formação dos aminoácidos primordiais, relativos à origem da vida.
Mais tarde, na escala geológica, o aquecimento viabilizou a origem das civilizações humanas e a manutenção das espécies animais e vegetais. Os humanos aprenderam a manipular o fogo, os animais e os vegetais; evolutivamente, adaptaram-se ao armazenamento de energia para seu uso posterior, nas diferentes estações.
No mundo moderno, o domínio da energia térmica proporcionou ações de progresso em todas as áreas da vida no planeta: transporte, saúde, cuidados com a natureza, desenvolvimento de materiais, cidades, agricultura, comunicações, vestimentas e outras inumeráveis atividades.
Estudar esses fenômenos é parte da chamada Termodinâmica, que se desenvolveu durante o século 19 com origem nos trabalhos de Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), reportados na tese de doutorado apresentada pelo historiador da ciência Pietro Redondi (1950-), em 1978, na Université de Paris I.
Esses trabalhos foram preciosos para o desenvolvimento das chamadas máquinas térmicas, representadas pelos motores movidos a combustíveis fósseis ou a biocombustíveis, presentes majoritariamente nos meios de transporte.
Antes de continuar, vou fazer uma pequena digressão necessária para o bom entendimento da linguagem. O termo calor é usado com conotações diversas, mas, para efeito deste texto, será entendido como energia em trânsito, entre corpos de temperaturas diferentes. Assim, a temperatura de um corpo, responsável pelas sensações de quente ou frio, é uma grandeza mensurável macroscopicamente que expressa o estado de agitação das moléculas no interior do corpo.
Essa maneira de olhar os fenômenos térmicos é fundamentada na Física Estatística, uma vez que trabalha com modelos relativos a sistemas constituídos por muitos corpos. Esses estudos originaram-se de contribuições consideráveis de James Clerk Maxwell (1831-1879) e Josiah Willard Gibbs (1839-1903).
Ao considerar um gás, por exemplo, suas moléculas, que são em grande número, apresentam liberdade de movimento internamente ao recipiente, e cada uma delas possui uma certa velocidade em relação ao centro de massa do conjunto. Portanto, podemos associar às moléculas uma energia cinética com seu valor médio relacionado à temperatura.
Resumidamente, a temperatura de um corpo expressa a energia cinética média (agitação interna) de suas moléculas. Assim, corpos quentes possuem agitação molecular (energia térmica) maior do que corpos frios e o contato entre eles produz a passagem de energia (calor) de um para o outro.
Quem teve a paciência de ler até aqui pode perguntar sobre o que essa cantilena sobre energia térmica tem a ver com a computação quântica. Pois bem, vou tentar explicar, mas isso vai levar mais de um artigo.
O primeiro capítulo relativo às ideias da criação de um computador quântico se inicia com uma pergunta fundamental: quanto de energia se gasta para realizar uma operação em uma máquina de Turing (computador universal)? Tentando responder a essa pergunta, Richard Feynman (1918-1988) organizou, ao longo dos anos 1960 e 1970, no Instituto Tecnológico da Califórnia (Caltech), seminários para estudar a Física dos processos computacionais, reunindo as figuras mais proeminentes dos assuntos na época.
As discussões se iniciaram a partir da conjectura sobre uma violação do segundo princípio da Termodinâmica, que afirma o aumento da entropia do universo, diminuindo a energia útil total disponível e tornando os processos irreversíveis.
Uma possível reversibilidade se fundamenta no experimento de pensamento chamado demônio de Maxwell. Combinar esse experimento com a máquina concebida por Alan Turing (1912-1954) como computador universal foi objeto de discussões preciosas que vão além do apertar de botões e que viabilizaram a tecnologia que temos hoje.
Reunidos por Feynman, pesquisadores do porte de John Joseph Hopfield (1933-), Carver Andress Mead (1934-), Rolf William Landauer (1927–1999), Marvin Lee Minsky (1927-2016), Paul Anthony Benioff (1930 –2022), entre outros, discutiram questões como: reversibilidade de processos computacionais e caráter físico da informação. Grande parte dessas discussões está reportada em Feynman and Computation, editado por Anthony John Grenville Hey (1946-) e quem se interessar pelas discussões completas pode encontrar a edição nos diversos meios ora disponíveis.
Aqui vou fazer um pequeno resumo sobre a reversibilidade, origem das ideias que levaram à concepção do computador quântico, tocando, também, na questão da física da informação.
Concebido para discutir a possível não validade do segundo princípio da Termodinâmica, o demônio de Maxwell é um ser fictício capaz de separar as moléculas de um recipiente contendo um gás ideal, em equilíbrio térmico e, portanto, com suas moléculas dotadas de velocidades distribuídas segundo uma relação estatística de probabilidades.
Cabe ao demônio o controle de uma porta, colocada na metade do recipiente, separando as moléculas que se movem mais rapidamente daquelas mais lentas. Criam-se assim, duas partes distintas do recipiente, uma mais quente e uma mais fria, destruindo o equilíbrio térmico com aquecimento e resfriamento obtido sem gasto de energia.
Para contestar essa conclusão, Leo Szilard (1898-1964), em 1929, observou que o demônio gastava uma certa quantidade de energia luminosa para, ao olhar para a molécula, decidir o lado que ela deveria ocupar.
Além disso, em 1951, Léon Nicolas Brillouin (1889-1969) completou a restrição apresentada por Szilard afirmando que a energia luminosa a ser gasta pelo demônio deveria ser maior que a radiação eletromagnética do ambiente e, portanto, proporcional à temperatura ambiente.
Em 1963, Feynman completa a contestação ao demônio afirmando que a criatura fictícia não conseguiria se livrar da energia luminosa necessária para a tarefa, que se transformaria em energia térmica, impossibilitando a realização da tarefa de separação das moléculas.
Ao combinar essas conclusões, Landauer mostrou que, nos computadores clássicos as operações são irreversíveis e deduziu expressões matemáticas para o cálculo da energia dissipada em cada bit envolvido nos cálculos e algoritmos.
Esse foi o mote inicial da computação quântica: a procura da construção de portas lógicas reversíveis, isto é, sem dissipação de energia.
O passo seguinte para o computador quântico foi conceber uma máquina de Turing com operações realizáveis por portas reversíveis.
(*) José Roberto Castilho Piqueira, professor da Escola Politécnica da USP
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