Ao mostrar que mesmo objetos grandes podem exibir comportamentos quânticos bizarros, os físicos esperam iluminar o mistério do colapso quântico, identificar a natureza quântica da gravidade e talvez até mesmo tornar o gato de Schrödinger uma realidade.
É uma mera partícula de matéria – um pedaço de cristal de sílica do tamanho de um vírus, levitou em um feixe de luz. Mas é quase tão imóvel quanto permitem as leis da física.
Duas equipes de pesquisadores, na Áustria e na Suíça, conseguiram, de forma independente, congelar essas minúsculas nanopartículas, de apenas 100 a 140 nanômetros de diâmetro, quase inteiramente em seu estado quântico de energia mais baixa, dando-lhes efetivamente uma temperatura apenas alguns milionésimos de grau acima do valor absoluto zero – e fixando-os no lugar com uma precisão sobrenatural.
Segurar uma nanopartícula tão firmemente em um único ponto é apenas o começo. O objetivo é colocar esses objetos em uma chamada superposição quântica – onde fica impossível dizer, antes de medi-los, exatamente onde eles estão. Uma partícula em uma superposição pode ser encontrada em um de dois ou mais lugares, e você simplesmente não sabe qual deles será até olhar. É talvez o exemplo mais surpreendente de como a mecânica quântica parece insistir que nosso mundo familiar de objetos com propriedades e posições definidas passa a existir apenas através do ato de olhar para ele.
As superposições de partículas subatômicas, átomos e as “partículas” de luz sem massa chamadas fótons estão bem estabelecidas. Mas, como esses efeitos quânticos tendem a ser facilmente perturbados quando as partículas interagem com seus arredores, estabelecer superposições fica rapidamente mais difícil à medida que os objetos ficam maiores e experimentam mais interações. Essas interações tendem a destruir quase instantaneamente uma superposição e deixar o objeto com propriedades únicas e bem definidas.
Ao mesmo tempo, os pesquisadores têm aumentado constantemente o tamanho em que as superposições e os efeitos quânticos relacionados ainda podem ser observados – de partículas a moléculas pequenas, então moléculas maiores e agora, eles esperam, pedaços de matéria em nanoescala. Ninguém sabe até que ponto, em princípio, essa expansão da quanticidade pode continuar. Existe – como alguns pensam – um limite de tamanho no qual ele simplesmente desaparece, talvez porque o comportamento quântico seja incompatível com a gravidade (que é desprezível para átomos e moléculas)? Ou não existe um limite fundamental para o quão grande pode ser o quantum?
Essas questões existem ao longo da história de um século da teoria quântica. Agora, pela primeira vez, os pesquisadores estão prestes a ser capazes de respondê-las – e talvez apontar o caminho para descrever como a gravidade se encaixa no mundo quântico. “Trabalho com sobreposições macroscópicas há 10 anos”, disse o teórico quântico Oriol Romero-Isart, da Universidade de Innsbruck, na Áustria, um dos líderes na área, “mas agora estamos em um momento muito oportuno.” Nos próximos anos, poderemos descobrir se o mundo é quântico ou não em todas as direções.
partícula quântica em uma superposição, ao contrário da crença comum, não está realmente em dois (ou mais) estados ao mesmo tempo. Em vez disso, uma sobreposição significa que há mais de um resultado possível de uma medição. Para um objeto em escalas cotidianas, descrito pela física clássica, isso não faz sentido – é aqui ou ali, vermelho ou azul. Se não podemos dizer qual é, é apenas por causa de nossa ignorância: não olhamos. Mas para superposições quânticas, simplesmente não há uma resposta definida – a propriedade de “posição” é mal definida.
Se, no entanto, só vemos um resultado ou outro quando olhamos, como podemos saber que a partícula estava em uma sobreposição antes de olharmos? A resposta é que, contanto que não tentemos descobrir qual é o resultado – contanto que não medamos essa propriedade – as duas (ou mais) alternativas de alguma forma incorporadas na superposição podem interferir uma na outra, apenas como duas ondas. Esse comportamento ondulado está incorporado em uma entidade matemática chamada função de onda, que codifica tudo o que somos capazes de dizer sobre a partícula.
A interferência quântica é mais notoriamente vista quando uma partícula passa por duas fendas estreitamente espaçadas em uma tela. Se não olharmos para ver por qual fenda a partícula passa, então a partícula se comportará como uma onda de água e sua função de onda se espalhará por ambas as fendas ao mesmo tempo, criando um padrão de interferência.
Mas se colocarmos um dispositivo de medição por uma fenda para nos dizer se cada partícula passou por ele ou não – para observar o caminho da partícula – então o padrão de interferência vai embora.
Qual o tamanho que os objetos podem ter e ainda se comportar como “ondas de matéria” interferentes? O físico quântico Anton Zeilinger e seus colegas de trabalho da Universidade de Viena estudaram essa questão em 1999 com um experimento de dupla fenda usando moléculas de carbono chamadas fulerenos (C60), feitas de exatamente 60 átomos de carbono ligados em anéis hexagonais e pentagonais como o couro manchas de uma bola de futebol. Eles encontraram um padrão de interferência claro, demonstrando que mesmo moléculas como o C60 – com 0,7 nanômetro de diâmetro, muito maiores e mais pesadas do que um átomo individual – podem ser colocadas em uma superposição.
Talvez tão importante quanto, eles passaram a estudar como essa superposição foi embora.
As interações entre uma partícula quântica e partículas vizinhas, como moléculas de gás ou fótons, emaranham os dois objetos em uma espécie de estado quântico conjunto. Desta forma, uma superposição da partícula original se espalha para o meio ambiente.
Mais ou menos como uma gota de tinta se difundindo e se espalhando em um copo d’água, essa superposição difusa torna cada vez mais difícil ver a original, a menos que você olhe para cada ponto em que ela se espalhou e a reconstrua a partir dessa informação. Como o emaranhamento mistura a função de onda da partícula inicial superposta com as de suas partículas circundantes, a função de onda parece perder a coerência e se tornar apenas uma massa de pequenas ondas incoerentes. Esse processo é chamado de decoerência e torna a superposição indetectável no objeto original: sua natureza quântica parece desaparecer.
A decoerência de uma superposição quântica acontece extremamente rápido, a menos que as interações da partícula com seu ambiente possam ser minimizadas – por exemplo, resfriando-a a temperaturas extremamente baixas para reduzir o efeito disruptivo do calor e mantendo o objeto no vácuo para eliminar colisões moleculares . Quanto maior for o objeto, mais interações ele provavelmente terá e mais rápida será a decoerência. Para um grão de poeira com cerca de 10 micrômetros flutuando no ar, um estado de superposição de duas posições no espaço separadas por aproximadamente a mesma largura que o próprio grão é estimado para descoerir em cerca de 10 a 31 segundos – menos do que o tempo que leva para um feixe de luz para viajar a largura de um próton.
A decoerência parece ser o principal obstáculo para fazer superposições quânticas de objetos grandes que duram o suficiente para serem observados. Os experimentos de interferência com fulerenos deram suporte a essa imagem. A equipe de Viena previu que a interferência das partículas deve desaparecer gradualmente à medida que deixam um gás de fundo entrar na câmara, onde suas moléculas colidiriam com os fulerenos e destruiriam a coerência de suas ondas quânticas. Isso é exatamente o que eles viram.
Um dos membros da equipe de Zeilinger foi Markus Arndt, que continuou a busca para aumentar a interferência quântica nas últimas duas décadas. Em 2011, ele e sua equipe interferiram em feixes de moléculas orgânicas baseadas em carbono com até 430 átomos cada, medindo até 6 nanômetros de diâmetro. Em 2019, eles fizeram isso com moléculas de cerca de 2.000 átomos. Então, no ano passado, eles criaram padrões de interferência em uma molécula biológica – especificamente, um peptídeo natural chamado gramicidina A1 – embora sejam moléculas frágeis para se submeter às árduas condições de experimentos de interferência por feixe molecular.
Arndt diz que seu objetivo é aumentar a massa das partículas por um fator de 10 a cada um ou dois anos. Isso logo os levaria ao tamanho e amplitude de massa de objetos biológicos, como vírus. Enquanto isso, em 2009, Romero-Isart, então no Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, Alemanha, e seus colegas de trabalho esboçaram uma ideia para levitar vírus em uma armadilha óptica – onde pequenos objetos são presos com firmeza pelas forças induzidas por feixes de luz intensos e focalizados – e, em seguida, induzi-los a uma superposição de dois estados de vibração e procurar por interferência entre eles.
Por que parar aí? Os pesquisadores até especularam sobre fazer o mesmo com organismos vivos sem ambigüidades, como os pequenos animais fenomenalmente robustos chamados tardígrados, que têm cerca de um milímetro de largura e sobreviveram a vários dias de exposição ao espaço sideral. Os pesquisadores escreveram que o plano permitiria que eles criassem “estados de superposição quântica com o mesmo espírito do gato de Schrödinger original” – o famoso experimento mental pretendia destacar o aparente absurdo das superposições quânticas para grandes (e especialmente vivas) entidades.
A perspectiva de transformar os absurdos de Schrödinger em realidade é um princípio animador por trás do projeto Q-Xtreme, uma colaboração entre os grupos de Markus Aspelmeyer da Universidade de Viena, Lukas Novotny e Romain Quidant no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique e Romero- Isart.
Em 2019, três dos grupos, em dois estudos independentes, relataram que podiam resfriar nanopartículas de sílica com cerca de 100 a 150 nanômetros de diâmetro, contendo cerca de cem milhões de átomos, quase em seu estado quântico de menor energia (solo), mantendo-as em um armadilha óptica produzida por feixes de laser.
Então, no ano passado, a equipe de Aspelmeyer relatou que eles conduziram essas partículas ainda mais completamente ao estado fundamental, onde as vibrações da rede cristalina de átomos são tão mínimas quanto podem ser. No zero absoluto, a partícula estaria inteiramente no estado fundamental, e o único movimento remanescente seria o chamado movimento de ponto zero dos átomos. No experimento de Aspelmeyer, a partícula estava em seu estado fundamental 70% do tempo, em média.
Agora, em seus últimos experimentos, Aspelmeyer e Novotny conseguiram se livrar da armadilha óptica – que afeta o comportamento quântico da partícula livre – para que possam observar a partícula “na natureza”, por assim dizer, em vez de em cativeiro . Os pesquisadores usam luz laser para medir constantemente a posição da partícula, em seguida, aplicam um campo elétrico para empurrar a partícula de modo que ela permaneça em seu local designado – não por aprisionamento, mas por persuasão suave. Esta abordagem de “feedback ativo” suprime a oscilação térmica da partícula e a resfria a uma temperatura extremamente baixa.
O grupo de Aspelmeyer diz que a propagação na posição de sua partícula é apenas 1,3 vezes a do movimento do ponto zero, equivalente a uma temperatura de apenas alguns milionésimos de Kelvin acima do zero absoluto. Novotny e colegas obtiveram resfriamento comparável com uma configuração semelhante.
O próximo passo será fazer uma sobreposição. Para fazer isso, os pesquisadores precisarão controlar três influências ambientais importantes. Primeiro, eles devem eliminar qualquer ruído no potencial de feedback ativo. Em seguida, eles precisam usar um vácuo muito alto – cerca de 10-11 milibares de pressão – para que não haja quase nada para a partícula colidir. Finalmente, eles precisam impedir que a partícula irradie fótons – como qualquer objeto quente faz. Embora a partícula seja bem localizada, como se superfria, ela absorve o suficiente dos fótons que zumbem ao redor para estar a uma temperatura interna de 1.000 graus Kelvin ou mais, o que a faria irradiar como um atiçador quente. Suprimir a decoerência induzida por essa radiação vai ser difícil, disse Romero-Isart.
A necessidade de suprimir a radiação da partícula fala a uma questão sutil, mas crítica. Uma superposição quântica não é destruída porque uma perturbação do meio ambiente chega e a desequilibra. Em vez disso, ele é destruído quando as informações sobre a localização do objeto vazam para o ambiente onde podem ser medidos – assim como a interferência em um experimento de dupla fenda quântica é destruída pela medição dos caminhos das partículas.
Se uma molécula de gás ricocheteia nela, digamos, em princípio você poderia descobrir onde a partícula está olhando para a trajetória da molécula. Ou, se irradia fótons, você pode ver onde está, assim como pode localizar a porta da frente à noite com a luz da varanda. No entanto, no caso da porta da frente, a luz apenas revela sua localização. Para objetos quânticos, a luz irradiada o cria.
sua sensibilidade de superposição às interações com o ambiente torna o experimento difícil, mas também pode ser útil. Por exemplo, um sistema como este poderia ser usado para estudar como objetos quânticos perdem sua quantumidade por meio da decoerência e se tornam classicamente fixos em um lugar. “Grandes superposições são muito frágeis e sensíveis à decoerência”, disse Romero-Isart – mas “a decoerência é algo que não entendemos completamente”. Portanto, os experimentos poderiam testar teorias de como isso acontece.
Os pesquisadores estão particularmente interessados em examinar uma ideia sobre como o quantum se torna clássico. Esta mudança tem sido descrita como “colapso da função de onda”: uma superposição de dois estados possíveis, digamos, colapsa para apenas um deles quando medido. Esse colapso foi proposto pela primeira vez pelo físico matemático húngaro John von Neumann na década de 1930 como uma maneira ad hoc de ir das probabilidades codificadas na função de onda aos valores definidos que as medições reais produzem. Foi uma prestidigitação sem nenhuma justificativa real da própria teoria: uma conveniência matemática para reconciliar a teoria com o que realmente vemos.
Ideias sobre decoerência e interação com o aparelho de medição agora substituíram em grande parte a noção misteriosa de von Neumann de um colapso abrupto. Mas alguns pesquisadores propuseram que o colapso não deixa de ser um processo físico real que produz definição clássica a partir de possibilidades quânticas. “Modelos de colapso preveem colapsos da mecânica quântica [padrão] quando você tem grandes massas e grandes superposições”, disse Romero-Isart. “A mecânica quântica não foi testada naquele espaço.”
Ele e seus colegas no Q-Xtreme esperam testar modelos de colapso físico, que prevêem que grandes superposições terão vida mais curta do que o esperado. Em particular, eles esperam explorar o que acontece com a mecânica quântica em escalas de tamanho onde a gravidade é importante.
No momento, a mecânica quântica parece incompatível com a moderna teoria da gravidade, ou seja, a relatividade geral de Albert Einstein. O mundo quântico é discreto e granular, enquanto a relatividade descreve o espaço-tempo como suave e contínuo. Normalmente, essa discórdia pode ser ignorada, porque a mecânica quântica descreve o muito pequeno, enquanto a relatividade geral descreve objetos grandes e massivos.
Mas o físico matemático britânico Roger Penrose sugeriu que em escalas intermediárias, quando a teoria quântica colide com a relatividade geral, esta vencerá, destruindo os efeitos quânticos. Na relatividade geral, qualquer objeto que tenha um campo gravitacional significativo distorce o espaço-tempo. Mas um objeto em uma superposição de locais produziria então dois espaços-tempos sobrepostos: uma situação que a relatividade geral não permite. Portanto, Penrose acredita que a gravidade forçaria uma escolha entre as alternativas.
Aspelmeyer acha que o Q-Xtreme deve finalmente ser capaz de testar teorias como esta. “Na escala de nosso experimento planejado, todos os modelos de colapso existentes seriam descartados ou restritos a regimes de parâmetros que os tornam sem sentido”, disse ele.
As superposições de massas grandes o suficiente para a gravidade entrar em ação poderiam sondar os aspectos quânticos da própria gravidade. Uma ideia para fazer isso é usar a interação gravitacional para emaranhar as massas. Em 2017, os físicos Sougato Bose da University College London e Vlatko Vedral e Chiara Marletto da University of Oxford propuseram experiências independentes que poderiam fazer exatamente isso. Esses experimentos são “super empolgantes, mas muito difíceis”, disse Romero-Isart – embora Vedral pense que pode ser viável nos próximos 10 anos ou mais.
Ninguém sabe exatamente o que esperar. “Uma vez que possamos estudar uma situação em que a teoria quântica sugere que o próprio espaço-tempo deve estar em uma superposição de dois estados mensuravelmente diferentes”, disse Aephraim Steinberg, um físico quântico da Universidade de Toronto, “todas as apostas estão canceladas, e nós não temos nada além de experiências para nos guiar. É razoável manter a mente aberta para a possibilidade de descobrirmos algo novo.”
Vedral espera que vamos descobrir que a gravidade (pelo menos quando não é super forte) pode de fato ser descrita usando a teoria quântica de campo padrão, assim como as outras forças conhecidas. Mas ele admite que “secretamente, espero que fracasse, porque, como teórico, você gostaria que algo extraordinário acontecesse”.
Tentar grandes superposições quânticas é uma situação em que todos ganham, disse Bose. Se descobrirmos que o colapso físico os proíbe, isso seria uma grande descoberta sobre a natureza fundamental da mecânica quântica. Mas se, como muitos suspeitam, o colapso físico não ocorre e o mundo quântico pode apenas ficar cada vez maior, então as grandes superposições, com sua extrema sensibilidade a fontes de decoerência, poderiam atuar como sensores muito delicados. Os físicos Jess Riedel e Itay Yavin no Canadá, por exemplo, propuseram que os sistemas quânticos que são sensíveis aos efeitos gravitacionais podem oferecer uma maneira de procurar por partículas de matéria escura, que parecem interagir com a matéria comum apenas por meio da gravidade. Bose, por sua vez, está interessado em usar tais sistemas como detectores de bancada de ondas gravitacionais, que até agora só foram vistos com a ajuda de imensos detectores de vários quilômetros de tamanho.
Em outras palavras, expandir a escala quântica até tamanhos em que a gravidade seja importante pode nos ensinar coisas novas sobre a mecânica quântica, a gravidade e os aspectos ocultos do universo. O projeto levará os recursos tecnológicos ao limite, mas a recompensa pode ser enorme. E o atual ressurgimento do interesse na criação de fenômenos quânticos, como superposição e emaranhamento em grandes escalas, não é uma ocorrência ao acaso, disse Arndt – porque estes são precisamente o que será necessário se quisermos aumentar a escala de computadores quânticos para que tenham muitos milhares ou mesmo milhões de bits quânticos emaranhados. “As tecnologias quânticas receberão dezenas de bilhões de dólares em investimentos nos próximos anos”, disse ele, “e devemos entender melhor os fundamentos da teoria subjacente a todas essas esperanças tecnológicas.”
Publicado em 21/08/2021 03h21
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