Membranas de alumínio vibrando fornecem a primeira evidência direta de emaranhamento quântico em objetos macroscópicos.
Ao tocar dois minúsculos tambores, os físicos forneceram a demonstração mais direta de que o emaranhamento quântico – um efeito bizarro normalmente associado a partículas subatômicas – funciona para objetos maiores.
As descobertas, descritas em dois artigos da Science em 6 de maio1,2, podem ajudar os pesquisadores a construir dispositivos de medição de sensibilidade sem precedentes, bem como computadores quânticos que podem realizar certos cálculos além do alcance de qualquer computador comum.
As regras contra-intuitivas da mecânica quântica prevêem que dois objetos podem compartilhar um estado comum “emaranhado”. As propriedades mensuráveis de um objeto, como sua posição ou velocidade, são então correlacionadas às do outro, com um grau de correlação mais forte do que o que pode ser alcançado na física clássica ou não quântica.
Embora nada nas leis da física quântica limite essa estranheza quântica às partículas subatômicas, a teoria prevê que em escalas muito maiores – digamos, o tamanho de um gato – os efeitos quânticos deveriam ser tão pequenos que não podiam ser observados na prática. Os físicos há muito debatem se isso é apenas uma limitação de nossos sentidos e instrumentos, ou se os objetos macroscópicos são governados por seu próprio conjunto de leis que é fundamentalmente diferente da mecânica quântica. Para explorar essa questão, os pesquisadores têm pressionado para observar os efeitos quânticos em escalas cada vez maiores. “Um ponto de nossa pesquisa é: existe quantum no mundo clássico?” diz Mika Sillanpää, um físico da Aalto University, na Finlândia.
Tambores quânticos
Em um experimento no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos em Boulder, Colorado, o físico Shlomi Kotler e seus colaboradores construíram um par de membranas vibratórias de alumínio semelhantes a dois pequenos tambores, cada um com cerca de 10 micrômetros de comprimento.
Embora essas estruturas mal sejam visíveis a olho nu, elas são enormes para os padrões quânticos, consistindo em cerca de um trilhão de átomos cada. Quando os físicos descobriram a mecânica quântica há um século, “as pessoas não imaginavam que você pudesse fazer um experimento com algo tão grande”, diz Kotler, que agora está na Universidade Hebraica em Jerusalém.
A equipe fez cócegas nas membranas com fótons de micro-ondas para fazê-las vibrar em sincronia e de forma que seus movimentos ficassem em um estado de emaranhamento quântico: a qualquer momento, conforme os tambores oscilavam para cima e para baixo, medindo seu deslocamento do plano mostrou eles estavam na mesma posição exata, e sondando suas velocidades retornou valores exatamente opostos.
Dois outros laboratórios haviam feito medições semelhantes em objetos vibrantes macroscópicos no passado, mostrando evidências indiretas de estados emaranhados3,4. Mas Kotler e sua equipe foram capazes de “ver” o emaranhamento mais diretamente, amplificando o sinal no momento em que saía de seus dispositivos. Kotler diz que isso é semelhante a como os gravadores antigos pré-amplificavam seu sinal antes de enviá-lo para o amplificador, ajudando a reduzir o chiado. A equipe também aprimorou as técnicas anteriores, permitindo aos pesquisadores criar o emaranhamento de forma mais confiável.
Essas etapas serão cruciais para aplicações como computadores quânticos que podem codificar informações nas vibrações de uma série de membranas, diz Kotler – uma alternativa radical às abordagens populares atuais, que normalmente envolvem correntes elétricas ou sistemas atômicos. A Amazon anunciou recentemente que está investigando a possibilidade de usar cristais vibrantes para codificar e processar informações quânticas.
Limites de teste
Em um experimento separado com tambores quânticos, um grupo liderado por Sillanpää investigou os limites do princípio da incerteza de Heisenberg, que afirma que qualquer medição deve necessariamente alterar o estado do objeto que está sendo medido.
A equipe também construiu um par de minúsculos tambores de alumínio e usou fótons de frequência de micro-ondas para colocá-lo em um padrão de vibração sincronizado e para ler as posições dos tambores.
Este experimento teve um propósito diferente daquele realizado pela equipe de Kotler – os pesquisadores queriam sondar a fronteira entre o comportamento quântico e não quântico. Eles afinaram os tambores oscilantes para se moverem de maneira coordenada, mas não idêntica, de modo que algumas de suas propriedades mensuráveis fossem idênticas às de um único tambor oscilante virtual.
Dessa forma, os pesquisadores puderam medir a posição do tambor virtual sem afetar sua velocidade. Para um oscilador quântico normal, isso seria impossível devido ao princípio da incerteza de Heisenberg. Para contornar esse limite fundamental, os pesquisadores “usam a mecânica quântica para hackear a mecânica quântica”, diz Hoi-Kwan Lau, um físico teórico da Simon Fraser University em Burnaby, Canadá.
Como no experimento de Kotler, os dois tambores compartilhavam um estado emaranhado, e a técnica de medição abre a possibilidade de estudar como o emaranhamento de objetos grandes evolui espontaneamente. “Podemos medir os estados emaranhados continuamente sem destruí-los”, diz Laure Mercier de Lépinay, colega de Sillanpää na Aalto e co-autora do artigo.
As técnicas do tambor quântico podem levar ao desenvolvimento de instrumentação que supere as limitações que a mecânica quântica impõe à medição. “Uma aplicação seria para um sensor de força”, diz Lau. Dependendo de como esse dispositivo é projetado, ele pode medir diferentes tipos de força, como magnética ou gravitacional, diz ele.
Publicado em 09/05/2021 14h50
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