Pesquisadores da Universidade Normal de Qufu (China), da Universidade de Hong Kong e da Universidade de Palermo (Itália) desenvolveram um motor quântico de calor capaz de produzir trabalho e refrigeração simultaneamente. O estudo foi publicado na Physical Review Letters e combina demonstração teórica e experimental do fenômeno.

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O ponto de partida foi a observação de um efeito térmico anômalo: um sistema quântico absorvendo calor de reservatórios térmicos mais frios. Esse comportamento contraria o princípio clássico pelo qual o calor flui naturalmente de regiões mais quentes para regiões mais frias até que o equilíbrio térmico seja atingido — princípio que fundamenta tecnologias que vão de geladeiras a usinas de energia.

Ordem causal indefinida como mecanismo central

• O fenômeno está ligado ao conceito de ordem causal indefinida (ICO, na sigla em inglês);
• Conforme explicou ao Phys.org, Zhong-Xiao Man, coautor sênior do artigo, a ICO permite que dois eventos ocorram em uma superposição de ordens;
• Na termodinâmica quântica, esses eventos são modelados como canais de termalização que atuam sobre um sistema por meio de um qubit de controle, criando uma ordem indefinida;
• Man afirmou que estudos anteriores já haviam mostrado que, mesmo com canais em temperaturas idênticas, o sistema não precisa equilibrar-se a essa temperatura — um desvio marcante em relação à termodinâmica padrão;
• A partir disso, a equipe investigou o que ocorre com o fluxo de calor quando o sistema e os canais partem de temperaturas diferentes.

“A ideia central do nosso artigo é que, no mundo quântico, dois processos térmicos podem ocorrer em uma superposição de ordens diferentes. Isso cria um fluxo de calor incomum, permitindo que o motor extraia energia de um ambiente mais frio de uma forma que não seria possível classicamente”, declarou Man.

Com base no fluxo de calor anômalo identificado, os pesquisadores projetaram um motor Otto quântico — dispositivo que converte calor em trabalho útil. Diferentemente dos motores Otto convencionais, o dispositivo opera um ciclo Otto quântico que gera trabalho útil e fornece refrigeração ao mesmo tempo. Realizar as duas funções normalmente exigiria dois dispositivos separados e distintos.

Tanto o fluxo anômalo quanto o motor foram realizados experimentalmente em uma plataforma fotônica. Segundo Man, os resultados confirmaram integralmente as previsões teóricas da equipe.

Giulio Chiribella, coautor do artigo, destacou três contribuições do trabalho. A primeira foi a identificação de uma nova forma de fluxo de calor anômalo, demonstrando que a coerência quântica pode alterar fundamentalmente a maneira como o calor é trocado entre sistemas.

A segunda foi a demonstração teórica e experimental completa desses efeitos termodinâmicos não convencionais em uma plataforma fotônica. A terceira foi a comprovação de que esses efeitos não são assinaturas exclusivas da ordem causal indefinida — podendo também ser reproduzidos dentro de uma estrutura causal definida.

Aplicações possíveis e próximos passos

O motor apresentado no artigo ainda é uma prova de princípio. Os autores indicam que o design e o fluxo de calor anômalo relatados poderiam ser aproveitados no desenvolvimento de tecnologias quânticas voltadas ao resfriamento de processadores quânticos e ao gerenciamento de calor em sensores quânticos, tecnologias de imageamento e dispositivos em nanoescala.

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Rosario Lo Franco, coautor sênior do artigo, apontou uma direção para pesquisas futuras: ir além dos ciclos termodinâmicos idealizados e investigar implementações mais realistas, nas quais todas as operações ocorrem em tempo finito.

Lo Franco observou que estudos teóricos recentes mostraram que medições e operações de controle em tempo finito podem introduzir trocas fundamentais entre custo energético, ganho de informação e desempenho — e que a equipe pretende entender como essas limitações afetam o tipo de motor proposto no trabalho.

Rodrigo Mozelli

Rodrigo Mozelli é jornalista formado pela Universidade Metodista de São Paulo (UMESP) e, atualmente, é redator do Olhar Digital.

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