A química baralha informação quântica quase como os buracos negros

Nada perturba tanto a física quântica como as aberrações que deformam o espaço e devoram matéria, conhecidas como buracos negros. Para transformar os ovos de Schrödinger numa omeleta de informação, basta encontrar um horizonte de acontecimentos e deixá-los cair.

Segundo físicos teóricos e químicos da Universidade Rice e da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, nos Estados Unidos, a química elementar também consegue baralhar informação quântica com uma eficácia quase comparável.

A equipa recorreu a uma ferramenta matemática criada há mais de meio século para ligar a física semiclássica conhecida aos efeitos quânticos na supercondutividade. Os investigadores concluíram que os estados quânticos delicados das partículas em reação se confundem com uma rapidez e eficiência surpreendentes, aproximando-se do poder de um buraco negro.

"Este estudo aborda um problema de longa data da física química, relacionado com a questão de saber a que velocidade a informação quântica é baralhada nas moléculas", afirma Peter Wolynes, teórico de física da Universidade Rice.

"Quando as pessoas pensam numa reação em que duas moléculas se juntam, imaginam que os átomos apenas realizam um único movimento, no qual uma ligação se forma ou se quebra."

A complexidade quântica das reações químicas

Por detrás dos modelos clássicos de átomos e moléculas em «esferas e varetas» existe um universo muito mais intrincado, cuja matemática se aproxima mais dos jogos de azar do que da engenharia.

Numa paisagem quântica, os estados de possibilidade podem subir e descer como as probabilidades num jogo de póquer, à medida que os destinos das partículas se entrelaçam. Cada mudança ao longo da reação - cada novo eletrão, cada protão acrescentado - revela uma nova carta e altera as probabilidades de formas subtis, mas decisivas.

Ao contrário dos acontecimentos tudo-ou-nada da física clássica, em que as partículas se ligam ou ricocheteiam consoante dispõem de energia suficiente, os estados quânticos incluem elementos de acaso capazes de permitir a passagem por barreiras sem que o preço energético seja pago.

Este fenómeno, chamado tunelamento, torna ainda mais difícil cartografar a evolução dos estados quânticos. O que começa por ser uma aposta organizada depressa se converte numa confusão caótica, dependente de inúmeros fatores para poder ser compreendida.

Como o tunelamento baralha informação quântica

Um dos métodos para decompor as pequenas alterações que definem o caos quântico utiliza os chamados correlacionadores fora de ordem temporal, ou OTOC. Desenvolvidos inicialmente para modelizar a supercondutividade na década de 1960, voltaram a ganhar relevância várias décadas depois, ao ajudarem a explicar a forma como a informação se dissemina nos buracos negros.

"A rapidez com que um OTOC aumenta ao longo do tempo indica a velocidade a que a informação está a ser baralhada no sistema quântico, isto é, quantos mais estados de aspeto aleatório passam a ser acedidos", explica Martin Gruebele, químico da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

Os cálculos da equipa mostraram que o tunelamento tende a ocorrer sobretudo em grupos confinados de partículas que precisam de pouca energia para reagir, em especial quando são mantidos a uma temperatura suficientemente baixa.

De facto, a propensão para o tunelamento surgir nestas reações mais instáveis pode baralhar informação quântica numa escala temporal inferior a um picossegundo. Trata-se de uma ordem de grandeza semelhante à dos buracos negros, verdadeiros mestres em pegar em estados quânticos e triturá-los numa massa indistinta.

Curiosamente, quando essas mesmas reações decorrem num ambiente mais próximo do mundo real - como uma solução densa ou uma mistura biológica de materiais -, o mesmo comportamento de baralhamento é "extinto".

Espera-se que a descoberta das ferramentas adequadas para mapear o caos quântico ao nível da química permita aos engenheiros ajustar materiais com precisão, minimizando o tunelamento onde não é desejado ou controlando-o para aplicações inovadoras.

"Há potencial para alargar estas ideias a processos em que não se faria tunelamento apenas numa reação específica, mas que teriam várias etapas de tunelamento", afirma Gruebele, "porque é isso que está envolvido, por exemplo, na condução de eletrões em muitos dos novos materiais quânticos macios, como as perovskitas usadas para fabricar células solares e aplicações semelhantes."

Esta investigação foi publicada na PNAS.