Pesquisadores demonstram motor quântico de calor capaz de realizar trabalho e refrigerar simultaneamente

Um grupo de pesquisadores da China, de Hong Kong e da Itália construiu um motor quântico que gera trabalho útil e resfria um reservatório ao mesmo tempo, funções que em máquinas térmicas convencionais exigem dois aparelhos separados.

O resultado saiu na Physical Review Letters em 14 de julho e combina previsão teórica com demonstração experimental em uma bancada fotônica.

O ponto de partida foi um comportamento térmico que não deveria acontecer: um sistema quântico absorvendo calor de reservatórios mais frios do que ele próprio.

Item	Detalhe
Artigo	Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order
Publicação	Physical Review Letters 137, 030404
Data	14 de julho de 2026
Primeiro autor	Qing-Feng Xue
Instituições	Universidade Normal de Qufu, Universidade de Hong Kong e Universidade de Palermo
Plataforma experimental	Fotônica
Estágio	Prova de princípio

Calor que anda no sentido errado

A termodinâmica clássica estabelece que o calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio até o equilíbrio térmico. É esse princípio que sustenta desde a geladeira da cozinha até a turbina de uma usina.

O grupo mostrou que a regra deixa de valer quando um sistema quântico passa por dois processos de termalização cuja ordem não está definida. Nessa condição, o sistema pode absorver energia térmica mesmo partindo de uma temperatura mais alta que a dos reservatórios envolvidos.

O efeito recebeu o nome de fluxo de calor anômalo: ele não é um erro de medição nem uma flutuação estatística, mas aparece de forma reprodutível quando a sequência das interações fica em superposição.

O que é ordem causal indefinida

O mecanismo central atende pela sigla ICO, de indefinite causal order. A ideia é que dois eventos ocorram numa superposição de ordens, sem que exista uma resposta única para a pergunta “qual aconteceu primeiro”.

Em termodinâmica quântica, esses eventos são modelados como canais de termalização que agem sobre um sistema. Quem decide a ordem é um qubit de controle, e é a superposição desse qubit que deixa a sequência indefinida. O arranjo é conhecido na literatura como quantum switch.

Trabalhos anteriores já haviam observado uma consequência estranha desse esquema: mesmo com os dois canais na mesma temperatura, o sistema não precisa terminar equilibrado nessa temperatura. A equipe partiu daí e investigou o que ocorre quando sistema e canais começam em temperaturas diferentes.

“No mundo quântico, dois processos térmicos podem ocorrer em uma superposição de ordens diferentes”, explicou Zhong-Xiao Man, coautor sênior do artigo, ao Phys.org. Segundo ele, esse arranjo cria um fluxo de calor incomum e permite que o motor extraia energia de um ambiente mais frio de uma forma inviável na física clássica.

Um ciclo Otto que faz dois serviços

Com o fluxo anômalo mapeado, o grupo projetou um ciclo Otto quântico. O nome vem do mesmo ciclo termodinâmico que descreve motores de combustão interna, adaptado aqui para um sistema de dois níveis.

A diferença está no que sai do processo… Um motor Otto convencional entrega trabalho. Um refrigerador entrega resfriamento. O ciclo montado pelos pesquisadores entrega os dois na mesma volta.

Aspecto	Máquina térmica clássica	Ciclo Otto com ordem indefinida
Sentido do fluxo de calor	Sempre do quente para o frio	Pode absorver calor de reservatório mais frio
Funções por dispositivo	Trabalho ou refrigeração	Trabalho e refrigeração no mesmo ciclo
Ordem das etapas	Definida e sequencial	Superposição de duas ordens
Recurso consumido	Diferença de temperatura entre reservatórios	Energia livre do qubit de controle

Tanto o fluxo anômalo quanto o motor foram executados numa plataforma fotônica, com interferômetro montado em bancada. Man afirmou que os dados obtidos confirmaram integralmente as previsões teóricas do grupo.

A segunda lei da termodinâmica continua de pé

Aqui entra a parte que boa parte da cobertura deixou de fora. Nada disso constitui um moto-perpétuo nem uma violação da segunda lei.

O balanço energético fecha porque o ciclo acessa a energia livre do qubit de controle no momento em que o quantum switch é desdobrado. A pureza desse qubit é consumida no processo. Existe um custo, ele apenas não aparece no lugar onde a intuição clássica manda procurar.

Giulio Chiribella, coautor do artigo, listou três contribuições do trabalho. A primeira foi identificar uma forma inédita de fluxo anômalo, mostrando que a coerência quântica altera a maneira como o calor é trocado entre sistemas. A segunda foi fechar o ciclo entre teoria e experimento na mesma publicação.

A terceira é a mais desconfortável para manchetes. Os pesquisadores comprovaram que esses efeitos não são assinatura exclusiva da ordem causal indefinida e podem ser reproduzidos dentro de uma estrutura causal definida. É por isso que o título do artigo grafa “(In)definite” com o prefixo entre parênteses.

Onde isso pode ser usado

O motor apresentado ainda é prova de princípio, sem aplicação comercial à vista. Os autores apontam três frentes em que o desenho poderia render tecnologia utilizável:

1. A primeira é o resfriamento de processadores quânticos, problema de engenharia que hoje consome infraestrutura criogênica volumosa e cara.
2. A segunda é o gerenciamento térmico em sensores quânticos e em tecnologias de imageamento.
3. A terceira envolve dispositivos em nanoescala, onde qualquer ganho de eficiência térmica altera o projeto inteiro.

Nenhuma das três tem prazo definido. O que existe até agora é um efeito medido em bancada óptica, não um componente.

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Tempo finito é o próximo teste do modelo

Rosario Lo Franco, coautor sênior baseado em Palermo, indicou o obstáculo que o grupo pretende atacar em seguida: sair dos ciclos termodinâmicos idealizados e investigar implementações em que todas as operações acontecem em tempo finito.

A ressalva tem base em estudos teóricos recentes, já que medições e operações de controle executadas em tempo finito introduzem trocas entre custo energético, ganho de informação e desempenho. Um ciclo que funciona no papel com etapas infinitamente lentas pode perder toda a vantagem quando o relógio entra na equação.

Vale registrar que a linha de pesquisa não nasceu agora. Felce e Vedral propuseram refrigeração por ordem causal indefinida em 2020, também na Physical Review Letters. Em 2022, um grupo chinês realizou experimentalmente um refrigerador quântico movido por ordens indefinidas. Em 2023, o mesmo princípio foi aplicado ao carregamento de baterias quânticas.

O trabalho de Qing-Feng Xue e colegas acrescenta a essa sequência o primeiro ciclo que entrega trabalho e refrigeração ao mesmo tempo, e a demonstração de que o truque não depende exclusivamente da indefinição causal para funcionar.

Fonte(s): Physical Review Letters e Phys.org