Cristais do tempo podem nos ajudar a modelar redes complexas como o cérebro humano

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Créditos: Oxygen / Moment / Getty Images.

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

A passagem de eletricidade por um pedaço de cristal de quartzo gera um pulso pelo qual você pode literalmente usar para determinar o tempo do seu relógio. Determinar a fusão de um cristal do tempo, por outro lado, poderá fazê-lo pulsar com os segredos mais profundos do Universo.

Uma equipe de pesquisadores de instituições de todo o Japão mostrou que as bases quânticas de partículas organizadas como um cristal do tempo poderiam, em teoria, ser usadas para representar algumas redes bastante complexas, do cérebro humano à Internet, à medida que se decompõe.

“No mundo clássico, isso seria impossível, pois exigiria uma grande quantidade de recursos de computação”, diz Marta Estarellas, engenheira de computação quântica do Instituto Nacional de Informática (NII) de Tóquio.

“Não estamos apenas trazendo um novo método para representar e compreender os processos quânticos, mas também uma maneira diferente de ver os computadores quânticos”.

Desde que foram teorizados pela primeira vez em 2012 pelo vencedor do Prêmio Nobel Frank Wilczek, os cristais do tempo supostamente desafiaram os próprios fundamentos da física.

Sua versão desse novo estado da matéria soava suspeitosamente como um moto-contínuo – partículas se rearranjando periodicamente sem consumir ou desperdiçar energia, repetindo-se em padrões ao longo do tempo, assim como cristais comuns fazem no espaço.

Isso ocorre porque a energia térmica compartilhada por seus átomos constituintes não pode se estabelecer perfeitamente em um equilíbrio com seu fundo.

É um pouco como tomar uma xícara de chá quente que permanece um pouco mais quente do que a temperatura ambiente, não importa quanto tempo esteja na sua mesa. Mas, uma vez que a energia nesses aglomerados de matéria afetados pelo tempo não pode ser aplicada em outro lugar, a teoria do cristal do tempo evita com segurança violar quaisquer leis físicas.

Há poucos anos, os físicos experimentais arranjaram com sucesso uma linha de íons de itérbio de tal forma que, ao serem atingidos com um laser, seus spins de elétrons emaranhados saíram do equilíbrio exatamente dessa maneira.

Comportamentos semelhantes foram observados em outros materiais, fornecendo novas perspectivas sobre como as interações quânticas podem evoluir em sistemas de partículas emaranhadas.

Saber que existem comportamentos semelhantes aos do cristal do tempo é muito bom. A próxima questão é se podemos aproveitar sua atividade única para algo prático.

No novo estudo, usando um conjunto de ferramentas encontradas na teoria dos grafos para mapear mudanças potenciais no arranjo de um cristal de tempo (como visto no clipe abaixo), os pesquisadores mostraram como um desdobramento discreto do arranjo de um cristal de tempo imita uma categoria de redes altamente complexas.

“Este tipo de rede, longe de ser regular ou aleatória, contém estruturas topológicas não triviais presentes em muitos sistemas biológicos, sociais e tecnológicos”, escrevem os pesquisadores em seu artigo.

Simular um sistema tão complexo em um supercomputador poderia consumir períodos impraticáveis ​​e grandes quantidades de hardware e energia, e isso se pudesse ser alcançado.

A computação quântica, no entanto, depende de uma maneira completamente diferente de realizar cálculos – uma que use a matemática da probabilidade presente em estados da matéria chamados ‘qubits’ antes de serem medidos.

A combinação certa de qubits dispostos como cristais de tempo oscilando para cima e para baixo no olvido pode representar sinais que se movem por vastas teias de neurônios, relações quânticas entre moléculas ou computadores trocando mensagens ao redor do globo.

“Usando este método com vários qubits, pode-se simular uma rede complexa do tamanho de toda a Internet mundial”, disse o físico teórico Kae Nemoto do NII.

Aplicar o que aprendemos com os cristais do tempo a essa forma emergente de tecnologia pode nos dar uma maneira totalmente nova de mapear e modelar qualquer coisa, desde novos medicamentos até meios de comunicação futuros.

Atualmente, mal estamos arranhando a superfície do potencial por trás desse novo estado da matéria. Com base em pesquisas como essa, podemos ter certeza de que o tempo está do nosso lado quando se trata do futuro da computação quântica.

Esta pesquisa foi publicada na Science Advances.