Pesquisa
experimental do paradoxo do “gato de Schrödinger”
Uma
questão central na física quântica é a transição entre os mundos clássico e
quântico. Esta questão é ilustrada de um modo “popular” através do chamado paradoxo do “gato de Schrödinger”. Este
nome refere-se ao experimento mental proposto por Schrödinger em 1935, dando
ênfase à dificuldade em aplicar os conceitos da mecânica quântica à vida
cotidiana. Enquanto o tempo passa, quando um sistema quântico para de existir
como uma superposição de estados e torna-se um ou outro estado? A fronteira entre
os mundos quântico e clássico tem sido estudada por muitos físicos desde o
começo da mecânica quântica na década de 1930.
O
controle atingido pelos grupos liderados por Haroche e Wineland em sistemas quânticos
individuais permitiu a eles realizarem experimentos tipo “gato de Schrödinger”
no laboratório, usando fótons e íons. Em um experimento proposto pelo físico
brasileiro Luiz Davidovich e executado pelo grupo de Haroche, uma superposição
de estados de campo de micro-ondas tipo “gato de Schrödinger” foi criado pelo
emaranhamento quântico entre um átomo de Rydberg e o campo da cavidade onde se
encontrava o átomo. Tal superposição é muito frágil e pode ser destruída
facilmente via acoplamento com o ambiente (nesse caso, por fótons escapando da
cavidade). A descoerência desta superposição, isto é, sua evolução em direção à
mistura estatística, poderia ser medida em função do tempo e das propriedades
da superposição de estados. Wineland e colaboradores realizaram experimentos
similares usando tecnologia de “armadilha de íons”. Eles criaram “estados de
gato”, consistindo de íons aprisionados individualmente, emaranhados com estados
coerentes de movimento e observaram sua descoerência. Recentemente, Haroche e
colaboradores criaram “estados de gato”, mediram-nos e fizeram um filme
mostrando como eles evoluem de uma superposição de estados para uma mistura
clássica.
Computadores
quânticos
Em
um artigo teórico publicado em 1995, Cirac e Zoller sugeriram um modo de
construir um computador quântico com íons aprisionados. Os bits quânticos (qubits)
são codificados em níveis hiperfinos de íons aprisionados, os quais interagem muito
fracamente com o ambiente e, portanto, possuem tempos de vida longos. Dois ou
mais íons podem ser acoplados através do movimento do centro de massa. Wineland
e seu grupo foram os primeiros a executar experimentalmente uma operação de 2
qubits entre movimento e spin para íons Be+. Desde então, o campo da
informação quântica baseada em íons aprisionados progrediu consideravelmente. Hoje, a
tecnologia de computação quântica mais avançada é baseada em íons aprisionados e tem
sido demonstrada com até 14 qubits e uma série de portas e protocolos.
Desenvolver grandes dispositivos capazes de realizar cálculos além do que é
possível com computadores clássicos requererá a resolução de vários desafios no
futuro.
Relógios
ópticos
Relógios
baseados em uma transição no domínio óptico são interessantes porque a
frequência da transição, a qual está no intervalo da luz visível ou do
ultravioleta, é várias ordens de grandeza maiores do que aquela dos relógios de
césio operando no intervalo de micro-ondas. Relógios ópticos desenvolvidos por
Wineland e colaboradores normalmente atingem uma precisão logo abaixo de 10-17,
duas ordens de grandeza mais preciso do que o padrão de frequência atual
baseado em relógios de césio.
Um
relógio óptico de íon usa uma transição estreita (proibida) em um único íon,
insensível a perturbações. O íon também precisa ter fortes transições
permitidas para resfriamento e detecção eficientes. Wineland e colegas
desenvolveram uma nova técnica, chamada espectroscopia
de lógica quântica, baseada no emaranhamento de duas espécies de íons.
Nesta técnica, um íon fornece a transição espectroscópica (por exemplo, 1S0
→ 3P1 em 27Al+),
enquanto o outro (por exemplo, 9Be+) possui a forte
transição de resfriamento. As precisões de dois relógios ópticos diferentes
podem ser comparadas com a ajuda da técnica do pente de frequência, inventada por Hänsch e Hall (Prêmio Nobel de
Física em 2005).
A precisão atingida
recentemente por relógios ópticos permitiram Wineland e colaboradores medir
efeitos relativísticos, tal como a dilatação temporal a velocidades de alguns
quilômetros por hora ou a diferença de potencial gravitacional entre dois pontos com uma diferença de altura de somente 30 cm!
(Fonte: www.nobelprize.org)
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