Revertendo o irreversível

Como a evolução de um sistema quântico fechado pode apresentar um comportamento irreversível se, no nível microscópico, as leis que descrevem sua evolução são reversíveis no tempo?

Essa é uma das questões investigadas por Mariana Teixeira, aluna de doutorado do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), em trabalho que recebeu o prêmio de melhor pôster no Congresso Brasileiro de Ciências e Tecnologias Quânticas de 2026. Intitulado “Irreversibility of effective dynamics of closed quantum systems”, o estudo pesquisa como a irreversibilidade pode surgir na descrição macroscópica de sistemas quânticos fechados, mesmo quando sua dinâmica microscópica é reversível.

O trabalho teve origem na pesquisa de mestrado de Mariana, orientada pelos pesquisadores do CBPF Fernando de Melo e Raúl O. Vallejos. O estudo, de caráter teórico, busca entender uma questão fundamental da física: como um comportamento irreversível pode surgir a partir de leis que, em nível microscópico, permitem que a evolução seja revertida.

Do microscópico ao observável

Para investigar essa questão, os pesquisadores e a pesquisadora analisaram a relação entre aquilo que pode ser observado e medido no laboratório e os diferentes estados microscópicos que podem estar por trás de uma mesma observação.

Na física quântica, essas possibilidades são representadas no chamado espaço de Hilbert, que pode ser entendido como um espaço matemático que reúne todas as possibilidades de estado de um sistema quântico. Não é um lugar físico, mas uma ferramenta usada pelos físicos para descrever matematicamente o sistema e acompanhar como ele muda ao longo do tempo.

Assim, uma mesma condição observada no laboratório pode ser compatível com diferentes estados microscópicos. Os pesquisadores analisaram justamente como esse conjunto de possibilidades se transforma à medida que o sistema evolui.

Essa análise está relacionada ao conceito de entropia, usado na física para descrever, de forma simplificada, quantas configurações microscópicas diferentes podem ser compatíveis com uma determinada situação observada.

Os resultados mostram que, na grande maioria dos casos analisados, a situação observada no fim da evolução é compatível com um número maior de configurações microscópicas do que a situação inicial. Em termos simples, isso corresponde a um aumento da entropia.

Quando existe essa diferença entre a entropia associada às situações inicial e final, a evolução apresenta um caráter irreversível: embora as leis microscópicas permitam, em princípio, inverter a evolução, a descrição do sistema a partir das grandezas observáveis não retorna exatamente à situação de partida.

Como medir a irreversibilidade

O estudo propõe uma maneira de medir a irreversibilidade desse processo. Para isso, os pesquisadores analisaram primeiro o que acontece quando o sistema evolui livremente e, depois, quando se faz uma evolução temporal no sentido contrário.

Se, após essa inversão, o sistema recuperasse exatamente a condição inicial, a evolução seria reversível. Quando isso não acontece, a diferença entre a situação inicial e aquela recuperada permite quantificar a irreversibilidade do processo.

“Nossos resultados indicam uma relação entre o aumento da entropia e a irreversibilidade na dinâmica efetiva de sistemas quânticos fechados, sugerindo um análogo da segunda lei da termodinâmica [associada à tendência de aumento da entropia] nesse contexto”, explica Mariana.

Em outras palavras, os resultados sugerem que, mesmo quando as leis fundamentais que descrevem um sistema quântico são reversíveis, a evolução observada em uma escala mais ampla pode apresentar uma direção preferencial, associada ao aumento da entropia.

Continuidade da pesquisa

Atualmente, Mariana dá continuidade ao interesse pelo comportamento de sistemas quânticos em um projeto experimental sob orientação do pesquisador Davi Chaves, do CBPF. A nova pesquisa envolve a fabricação, a caracterização e o teste de diferentes arquiteturas de qubits supercondutores, unidades básicas usadas para armazenar e processar informação em computadores quânticos.

“Existe uma continuidade no interesse por entender o comportamento de sistemas quânticos, especialmente os fatores que podem levar à decoerência [processo pelo qual um sistema quântico perde suas propriedades quânticas] e às formas de mitigá-la”, explica.

Para Mariana, a participação em congressos é uma oportunidade de compartilhar o trabalho com pesquisadores e pesquisadoras da área, conhecer outras pesquisas e receber diferentes perspectivas sobre o que foi desenvolvido. “O reconhecimento é importante porque mostra que o trabalho desperta interesse dentro da área e dá visibilidade à pesquisa, além de ser um incentivo para continuar desenvolvendo esse tema”, afirma.