Um estado quântico faz o gato de Schrödinger ocupar dois lugares ao mesmo tempo

Os físicos quânticos parecem ter um grande interesse em gatos. Você deve conhecer o paradoxo do gato de Schrödinger; e temos um estado quântico que torna esse paradoxo ainda mais intrigante.

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No experimento mental de Erwin Schrödinger, um gato é preso no compartimento de uma caixa; no outro compartimento, há uma pequena quantidade de substância radioativa. Se essa substância decair – isto é, se houver atividade radioativa – um veneno mata o gato. No entanto, você só saberá se o gato está vivo ou morto quando abrir a caixa. Até lá, ele estará em um estado “vivomorto”.

Isso ilustra um dos conceitos contra-intuitivos da física quântica: a sobreposição. Até ser observado, um sistema físico (como um elétron) existe parcialmente em todos os estados teoricamente possíveis ao mesmo tempo; quando é observado, ele se mostra em um único estado.

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Gato, veneno, e uma fonte radioativa em uma caixa fechada. (Dhatfield/Wikimedia)

Agora, físicos da Universidade Yale descobriram como fazer um mesmo “gato” que “vive” e “morre” em duas caixas ao mesmo tempo. Tecnicamente, este não é um gato real, e sim um estado em que duas (ou mais) partículas estão interligadas em dois estados diferentes ao mesmo tempo.

Dividindo o gato de Schrödinger

Em 2005, físicos do NIST conseguiram reproduzir a ideia do experimento de Schrödinger em laboratório, com seis átomos em estados “spin up” e “spin down” simultâneos – é como se eles estivessem girando no sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo. Desde então, outros físicos fizeram algo semelhante com fótons.

Os físicos de Yale adicionaram uma complicação adicional: não só os fótons exibem mais de um comportamento ao mesmo tempo (superposição), como também estão entrelaçados – isto é, se um mudar de estado, o outro também vai, mesmo que eles estejam separados. É um dos aspectos mais estranhos da mecânica quântica – Albert Einstein a apelidou de “ação fantasmagórica à distância”.

Para tanto, os físicos criaram uma pequena câmara com duas cavidades separadas feitas de alumínio. Os fótons de micro-ondas ricocheteavam ao redor no interior das cavidades, e a equipe conseguiu conectá-los com um átomo artificial supercondutor de safira.

Assim, eles se tornaram uma única entidade (um “gato”) que assumiam mais de um estado (“vivo” e “morto”) ao mesmo tempo. O gato “não fica apenas em uma caixa, porque o estado quântico é compartilhado entre as duas cavidades e não pode ser descrito separadamente”, diz o autor principal, Chen Wang, em comunicado. O trabalho foi publicado na revista Science.

Computação quântica

Esta pesquisa tem implicações para a computação quântica. Ao contrário de um computador clássico, com bits representando 0 e 1, um computador quântico armazena informações em “qubits”. Um qubit pode estar em dois estados ao mesmo tempo, tanto 0 e 1, assim como o gato de Schrödinger está simultaneamente vivo e morto até que uma medição ou observação seja feita.

Isto cria uma situação muito delicada: a informação quântica deve ser blindada de todo o ruído externo no ambiente ao redor. A menor interferência – um único fóton esbarrando no átomo que você usou para codificar e armazenar suas informações, por exemplo – fará com que o sistema inteiro perca a coesão, de tal forma que a superposição é perdida.

Criar “cat states” – isto é, entrelaçar partículas com comportamento diferente – é interessante porque poderia ser muito útil para armazenar informação quântica. De acordo com o coautor Robert Schoelkopf, este é “o primeiro passo para operações lógicas entre dois bits quânticos”, que também permite correção de erros.

Imagem: Michael S. Helfenbein/Universidade Yale

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