EEntre uma multiplicidade de fenômenos naturais, o acidente é dos mais perceptíveis para os seres vivos e esteve diretamente relacionado à formação de aminoácidos primordiais, relacionados à origem da vida.
Mais tarde, na escala geológica, o conhecimento viabilizou a origem das civilizações humanas e a manutenção das especialidades 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, em diferentes estações.
No mundo moderno, o domínio da energia térmica é proporcional às ações de progresso em todas as áreas da vida e do planeta: transportes, saúde, cuidado com a natureza, desenvolvimento de materiais, cidades, agricultura, comunicação, vestuário e outras inúmeras atividades.
O estudo desses fenômenos faz parte da chamada Termodinâmica, que se desenvolveu ao longo do século XIX com origem nos trabalhos de Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), relatados na tese de doutorado apresentada pelo historiador da ciência Pietro Redondi (1950-), em 1978, na Universidade de Paris I.
Esses trabalhos foram preciosos para o desenvolvimento de camadas térmicas, representadas por motores movidos a combustíveis fósseis ou biocombustíveis, presentes majoritariamente em meios de transporte.
Antes de continuar, farei uma pequena digressão necessária para um 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 renovação 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 das consideráveis contribuições 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 moléculas com energia cinética ao seu valor médio em relação 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 os frios corporais e o contato entre eles produz a passagem de energia (calor) de um para o outro.
Quem teve 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 sobre a ideia de criação de um computador quântico começa com uma questão fundamental: quanta energia é gasta para realizar uma operação em uma máquina de Turing (computador universal)? Tentando responder a essa questão, Richard Feynman (1918-1988) organizou, durante as décadas de 1960 e 1970, junto ao 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 uma máquina concebida por Alan Turing (1912-1954) como um computador universal foi objeto de discussão preciosos 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 características físicas da informação. Grande parte dessa discussão está reportada em Feynman e Computaçãoeditado por Anthony John Grenville Hey (1946-) e quem se interessar pelas discussões completas pode encontrar uma edição em diversos meios agora 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 uma possível não validação do segundo princípio da Termodinâmica, o demônio de Maxwell é um demônio fictício capaz de separar as moléculas de um recipiente contendo um gás ideal, em equilíbrio térmico, e, portanto, com suas moléculas dotadas velocidades distribuídas segundo uma estatística de probabilidades.
Cabe ao demônio o controle de uma porta, colocado na metade do recipiente, separando as moléculas que se movem mais rapidamente degases mais lentas. Criam-se assim, duas partes distintas do recipiente, uma mais quente e uma mais fria, destruindo o equipamento térmico com aquecimento e resfriamento obtendo sem gasto de energia.
Para contestar esta conclusão, Leo Szilard (1898-1964), em 1929, observou que o demônio estava gastando certa quantidade de energia luminosa para, ao olhar para a molekula, 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 completou a contestação do diabo afirmando que uma criatura fictícia não forneceria a energia luminosa necessária para a tarefa, o que a transformaria em energia térmica, impossibilitando a realização da tarefa de separar moléculas.
Ao combinar essas lições, 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 mais inicial da computação quântica: a procura da construção de portas lógicas reversíveis, isto é, sem dissipação de energia.
O passo a seguir para o computador quântico foi conceber uma máquina de Turing com operações realizáveis por portas reversíveis.
________________
(As opiniões expressas nos artigos publicados no Jornal da USP são de inteira responsabilidade de seus autores e não refletem opiniões de veículos nem posições institucionais da Universidade de São Paulo. (Acesse aqui nossos parâmetros editoriais para artigos de opinião.)
