Sondas quânticas que não matam o gato de Schrödinger

Por David Shiga

Fonte: New Scientist

Créditos da Imagem: New Scientist

Em breve pode ser possível extrair informações de um objeto quântico – e até mesmo manipulá-lo – sem destruir seu delicado estado quântico ao mesmo tempo. O resultado seria uma benção para a computação quântica, que requer controle sobre tais estados. Isso também desafiaria um experimento mental criado pelo físico Erwin Schrödinger: em princípio, agora é possível olhar dentro da caixa sem colocar em risco a vida do bichano que está lá.

Estados que são mutuamente excludentes na física clássica podem existir simultaneamente no estranho mundo da mecânica quântica – uma situação chamada de superposição. Para ilustrar esse efeito, Schrödinger imaginou colocar um gato em uma caixa, junto com um dispositivo que liberaria veneno para matá-lo, dependendo do decaimento aleatório de um átomo radioativo. Uma vez que o estado quântico do átomo só assume um valor definitivo quando alguém o observa, o gato está morto e vivo ao mesmo tempo até que a caixa seja aberta.

No entanto, as superposições são frágeis. Perturbações externas, incluindo observações, tendem a destruir a “coerência” desses estados, forçando o sistema a colapsar em apenas uma das possibilidades. Quanto maior o sistema, mais difícil é isolá-lo de influências externas.

Em 2010, físicos puseram o maior sistema em superposição até agora: uma faixa de 40 micrômetros feita de material piezoelétrico, que se expande e contrai em resposta a mudanças de voltagem. Eles o puseram em uma superposição de oscilações mínimas e mais vigorosas, mas o método que usaram para observar o sistema fez com que ele perdesse seu estado duplo.

Outra equipe agora propõe dar um passo além, colocando um fio, com mais ou menos o mesmo tamanho, em superposição e oferecendo um esquema para observá-lo, e até mesmo manipulá-lo, sem destruir o estranho estado quântico. Kurt Jacobs da Universidade de Massachusetts, em Boston, e sua equipe descrevem a idéia em um estudo que será publicado em Physical Review A.

O primeiro passo é colocar o fio em uma superposição na qual vibrações simultaneamente o deslocam o mesmo tanto em direções opostos, como a corda de uma guitarra que é puxada em duas direções ao mesmo tempo. Em seguida, uma carga elétrica pode ser adicionada ao fio, criando um campo eletromagnético que pode ser detectado por um sensor (veja o diagrama).

Mesmo que o senor não possa identificar a posição da carga – e, portanto, do fio – ele pode detectar o quão distante a carga está de uma posição neutra, “não-puxada”. Isso revela algumas informações sobre o sistema – essencialmente fornecendo um vislumbre de dentro da caixa que contém o gato de Schrödinger. A chave é que se evite abrir a caixa completamente, o que destruiria a superposição, afirma Jacobs: “Eu extraio informações, mas de maneira que não descubra muita coisa”.

Outros esquemas para olhar dentro da caixa envolviam destruir parcialmente a superposição e então tentar restaurá-la. “Em nosso artigo, o ponto crucial é que a medição não destrua a coerência”, observa Jacobs.

A equipe também propõe ajustar a tensão do fio para modificar o tamanho das vibrações, um ajuste que não destruiria a frágil superposição.

Executar esse experiment ainda vai demorar alguns anos, pondera a equipe – os sensors necessários para fazer as sutis medições precisam ser menos vulneráveis a ruídos de interferência. Se o experimento se provar um sucesso, seria um passo na direção da computação quântica.

Computadores quânticos, que ainda estão para ser construídos, seriam capazes de fazer muito mais cálculos simultaneamente do que os computadores convencionais. Isso se deverá à capacidade que os sistemas quânticos possuem de estar em mais de um estado ao mesmo tempo. Construir um computador assim requer ser capaz de ler e alterar o estado de sistemas quânticos, processos que o novo experimento procura alcançar. “Essa proposta pode se provar muito útil”, considera Aephraim Steinberg, da Universidade de Toronto, no Canadá.  

Teleportando o gato de Schrödinger

Observar um objeto em mais de um estado quântico ao mesmo tempo – em superposição – ainda é um objetivo elusivo (ver artigo principal), mas teleportar um objeto assim já é coisa do passado. Noriyuki Lee da Universidade de Tóquio, Japão,e seus colegas conseguiram fazer a luz em uma superposição de estados desaparecer em um lugar e reaparecer em outro.

Eles tiraram vantage do emaranhamento, uma propriedade quântica que cria uma fantasmagórica conexão entre objetos separados e que age mesmo à distância. Eles emaranharam os dois feixes de luz, de modo que medir um deles afetaria o resultado da medição do outro. Depois de misturar um dos feixes emaranhados com pulsos de luz em uma superposição de muitos estados quânticos, eles foram capazes de recriar a superposição no segundo feixe emaranhado (Science, DOI: 10.1126/science.1201034).

“Isso mostra que a manipulação controlada de objetos quânticos atingiu... objetivos que pareciam impossíveis há alguns anos”, avalia Philippe Grangier do Instituto de Ótica em Palaiseau, França.