Pesquisadores desenvolvem novo motor quântico de calor capaz de gerar trabalho e refrigeração no mesmo ciclo

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Pesquisadores desenvolvem novo motor quântico de calor capaz de gerar trabalho e refrigeração no mesmo ciclo

Escrito por Andriely Medeiros de Araújo

Publicado em 28/07/2026 às 17:45

Ciência e Tecnologia

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Motor quântico de calor gera trabalho e refrigeração no mesmo ciclo e pode apoiar o controle térmico de processadores, sensores e nanodispositivos.

Controlar a temperatura de equipamentos quânticos pode ganhar uma alternativa incomum: um motor quântico experimental que converte parte da energia térmica em trabalho enquanto promove refrigeração. Cientistas de três universidades demonstraram que essas duas atividades, normalmente destinadas a aparelhos diferentes, podem ocorrer dentro do mesmo ciclo de funcionamento.

O motor quântico de calor foi desenvolvido pelos pesquisadores da Universidade Normal de Qufu, na China, da Universidade de Hong Kong e da Universidade de Palermo, na Itália. Os resultados do estudo, que reúne evidências teóricas e validação experimental, foram divulgados na revista científica Physical Review Letters, no dia 14 de julho de 2026.

Ainda distante de uma aplicação comercial, o experimento revela uma nova maneira de organizar trocas térmicas em escala quântica. A proposta poderá servir de referência para futuras soluções destinadas a processadores, sensores e outros componentes que exigem gerenciamento eficiente do calor.

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Motor quântico de calor pode beneficiar equipamentos sensíveis ao aquecimento

A principal perspectiva aberta pelo estudo não está apenas na produção de trabalho. O diferencial é a possibilidade de aproveitar o mesmo ciclo para retirar calor do sistema.

Esse recurso poderá ser relevante em tecnologias nas quais o excesso de calor compromete o desempenho. Entre os campos mencionados pelos autores estão:

• processadores usados em computação quântica;
• sensores construídos com propriedades quânticas;
• sistemas avançados de formação de imagens;
• componentes fabricados em dimensões nanométricas.

O dispositivo atual não foi projetado para instalação imediata nesses equipamentos. Sua função é demonstrar que a combinação entre geração de trabalho e refrigeração pode ser obtida fisicamente.

A pesquisa, portanto, apresenta uma base conceitual para projetos futuros, e não uma máquina pronta para chegar ao mercado.

Uma máquina assume tarefas que costumam exigir dois equipamentos

Nas tecnologias convencionais, motores térmicos e refrigeradores possuem papéis distintos. Um converte parte do calor recebido em trabalho útil. O outro precisa retirar energia térmica de um local para diminuir sua temperatura.

A equipe internacional conseguiu reunir essas finalidades em um único ciclo termodinâmico quântico.

Para isso, os pesquisadores desenvolveram um motor baseado no ciclo Otto quântico, uma versão quântica do ciclo termodinâmico Otto, utilizado para converter calor em trabalho. Na versão construída no estudo, o funcionamento ocorre em condições quânticas, permitindo que o sistema gere trabalho útil e produza refrigeração durante o mesmo processo.

Essa combinação transforma o motor quântico de calor em uma máquina de dupla função. No universo clássico, alcançar o mesmo resultado dependeria da atuação conjunta de mecanismos separados.

Teste com partículas de luz confirmou o funcionamento previsto

Os cientistas não limitaram a pesquisa a equações e simulações. O comportamento da máquina também foi reproduzido em uma montagem fotônica, na qual partículas de luz foram empregadas para representar e controlar os processos estudados.

As medições obtidas nessa etapa acompanharam os resultados calculados previamente pela equipe, conforme relatou Zhong-Xiao Man, um dos autores seniores da investigação, ao Phys.org.

A validação em laboratório foi importante porque mostrou que o efeito não existe apenas como possibilidade matemática. Tanto a circulação térmica incomum quanto a operação do motor puderam ser observadas na plataforma experimental.

Segundo Giulio Chiribella, o estudo amplia a compreensão sobre as trocas de calor em sistemas quânticos, valida experimentalmente esse comportamento e mostra que o fenômeno pode surgir em diferentes configurações causais.

Coerência quântica muda o resultado das trocas térmicas

O desempenho da máquina depende de características que não aparecem da mesma forma nos objetos do cotidiano.

Uma delas é a coerência quântica. Essa propriedade permite que diferentes possibilidades físicas mantenham relações entre si e contribuam conjuntamente para o comportamento final de um sistema.

Na termodinâmica habitual, o calor passa espontaneamente do ponto com temperatura mais elevada para o ponto mais frio. A troca continua até que a diferença entre eles desapareça ou seja reduzida ao equilíbrio.

Geladeiras, motores e instalações de geração elétrica são projetados levando em conta essa direção natural das transferências térmicas.

O experimento apresentou outra configuração. O sistema quântico conseguiu receber calor a partir de reservatórios que estavam mais frios, um fluxo térmico anômalo que serviu de base para o projeto do motor quântico.

Não se trata de reproduzir em pequena escala o funcionamento de um motor tradicional. A operação depende da manipulação de estados e interações que pertencem ao domínio quântico.

Sequência dos eventos deixa de seguir uma única possibilidade

Para produzir esse comportamento, a equipe trabalhou com o conceito conhecido como ordem causal indefinida, identificado pela sigla ICO.

Normalmente, dois processos obedecem a uma sequência determinada. Um deles acontece antes e influencia o evento seguinte. Na ICO, a física quântica permite combinar mais de uma ordenação, sem obrigar o sistema a escolher previamente uma única sequência.

Os pesquisadores representaram as interações com os reservatórios por canais de termalização. Um qubit de controle coordenou a atuação desses canais, mantendo diferentes ordens possíveis dentro da mesma configuração experimental.

Zhong-Xiao Man explicou que essa combinação modifica a circulação de energia. Em vez de obedecer exclusivamente ao comportamento esperado pela termodinâmica clássica, o sistema passa a apresentar uma transferência térmica capaz de sustentar a operação do motor.

A investigação surgiu após trabalhos anteriores indicarem que um sistema quântico pode não alcançar a temperatura esperada mesmo quando interage com canais de termalização mantidos na mesma temperatura. A nova pesquisa levou o problema adiante ao trabalhar com temperaturas iniciais diferentes.

Resultado não depende exclusivamente da ordem causal indefinida

A ICO ocupa uma posição importante na construção do experimento, mas os próprios autores identificaram uma ressalva.

O mesmo tipo de efeito termodinâmico também pode ser reproduzido em uma organização na qual a sequência causal esteja estabelecida. Isso significa que o comportamento incomum do calor não funciona como prova exclusiva de uma ordem indefinida.

A conclusão evita atribuir todo o resultado a um único mecanismo. Ela indica que outras configurações quânticas também podem gerar fenômenos semelhantes, desde que preservem os elementos físicos necessários para alterar as trocas térmicas.

Esse ponto amplia o alcance da descoberta. O resultado indica que efeitos semelhantes podem ser obtidos em diferentes configurações causais.

Condições reais poderão reduzir o desempenho da máquina

Apesar dos resultados obtidos, o ciclo empregado pelos cientistas representa uma situação ideal. Operações práticas precisam acontecer dentro de períodos limitados, enquanto modelos teóricos podem considerar etapas executadas em condições simplificadas.

Rosario Lo Franco, também autor sênior do artigo, apontou essa diferença como um dos próximos desafios da equipe.

Em uma implementação realista, medições, comandos e alterações no sistema exigem tempo. Essa duração pode modificar a eficiência do dispositivo e estabelecer compromissos entre a energia gasta na operação, a informação obtida durante o processo e o desempenho entregue pela máquina.

Os pesquisadores pretendem avaliar como essas restrições influenciam simultaneamente as duas funções do motor: produzir trabalho e remover calor.

Motor quântico de calor abre caminho, mas ainda exige novos testes

O estudo demonstra que a termodinâmica quântica permite combinar tarefas que permanecem separadas nas máquinas convencionais. Também mostra que o fluxo térmico pode assumir configurações pouco intuitivas quando coerência, controle quântico e diferentes sequências de interação entram no processo.

O avanço, porém, continua restrito ao ambiente experimental. Antes de qualquer uso tecnológico, será necessário adaptar o ciclo a operações com duração finita e compreender os custos envolvidos no controle do sistema.

Mesmo em estágio inicial, o motor quântico de calor apresenta uma possibilidade relevante para equipamentos do futuro: converter calor em trabalho e administrar a temperatura dentro da mesma arquitetura, reduzindo a necessidade de mecanismos independentes para cada função.

Fonte

Olhar Digital