Cientistas das universidades Normal de Qufu (China), de Hong Kong e de Palermo (Itália) desenvolveram um motor quântico térmico que é capaz de gerar trabalho e realizar refrigeração simultaneamente. A pesquisa foi divulgada na Physical Review Letters, apresentando tanto a fundamentação teórica quanto a validação experimental do fenômeno observado.

A investigação começou com a identificação de um efeito térmico inesperado: um sistema quântico que absorve calor proveniente de reservatórios térmicos mais frios. Este comportamento desafia o princípio clássico que estipula que o calor se desloca naturalmente de áreas mais quentes para as mais frias até que se atinja o equilíbrio térmico, base para diversas tecnologias, como geladeiras e usinas geradoras de energia.

Ordem causal indefinida como mecanismo central

• Esse fenômeno está associado à noção de ordem causal indefinida (ICO, em inglês);
• Zhong-Xiao Man, um dos coautores seniores do estudo, explicou ao Phys.org que a ICO possibilita a ocorrência de dois eventos em uma superposição de ordens;
• No contexto da termodinâmica quântica, esses eventos são modelados como canais de termalização operando sobre um sistema por meio de um qubit controlador, resultando em uma ordem indefinida;
• Man mencionou que pesquisas anteriores já indicavam que mesmo com canais mantidos a temperaturas iguais, o sistema não precisa se igualar a essa temperatura — uma divergência significativa da termodinâmica convencional;
• Com isso, a equipe explorou o impacto do fluxo de calor quando o sistema e os canais estão em temperaturas distintas.

“O principal ponto do nosso estudo é que, no âmbito quântico, dois processos térmicos podem ocorrer em uma superposição de ordens diferentes. Isso resulta em um fluxo de calor peculiar, permitindo que o motor extraia energia de um ambiente mais frio, algo impossível no mundo clássico”, afirmou Man.

Motor Otto quântico com duas funções em um único dispositivo

Com base no fluxo anômalo observado, os cientistas projetaram um motor Otto quântico — uma máquina destinada à conversão de calor em trabalho útil. Diferente dos motores Otto tradicionais, este dispositivo realiza um ciclo Otto quântico que simultaneamente gera trabalho útil e proporciona refrigeração. Normalmente, essas duas funções exigiriam dispositivos separados.

Tanto o fluxo anômalo quanto a operação do motor foram testados experimentalmente em uma plataforma fotônica. Segundo Man, os resultados confirmaram completamente as expectativas teóricas do grupo.

Giulio Chiribella, coautor do artigo, destacou três principais contribuições da pesquisa. Primeiro, foi identificada uma nova forma de fluxo anômalo de calor, evidenciando que a coerência quântica pode alterar profundamente as trocas térmicas entre sistemas.

A segunda contribuição foi a demonstração teórica e experimental abrangente desses efeitos termodinâmicos fora do convencional em uma plataforma fotônica. Por último, foi comprovado que tais efeitos não são exclusividade da ordem causal indefinida — podendo também ser replicados dentro de uma estrutura causal definida.

Aplicações possíveis e próximos passos

O motor apresentado é considerado ainda uma prova de conceito. Os autores sugerem que o design e o fluxo anômalo descritos poderiam ser utilizados para desenvolver tecnologias quânticas focadas no resfriamento de processadores quânticos e na gestão térmica em sensores quânticos, além de aplicações em técnicas de imagem e dispositivos nanoescalares.

Rosario Lo Franco, coautor sênior do estudo, apontou direções para investigações futuras: explorar além dos ciclos termodinâmicos ideais e examinar implementações mais realistas nas quais todas as operações aconteçam dentro de intervalos finitos.

Lo Franco destacou ainda que estudos teóricos recentes demonstraram que medições e operações controladas em tempo finito podem criar trocas significativas entre custo energético, ganho informacional e desempenho — sendo este um aspecto que a equipe pretende explorar para entender como essas limitações influenciam o tipo específico de motor proposto na pesquisa.