Segredos d’Arte d’Embaralhar Dados

“Com o emaranhamento, parte da informação de cada onda particular é perdida, mas a informação global do sistema se preserva, de forma compartilhada”. (M. Martinelli). “A manutenção do movimento constitutivo de um corpo (sua “inércia“) transforma-se na condição fundamental para conservação de sua própria identidade”…(Thomas Hobbes)

a) Arte do entrelaçamento (jun/2009)

O “emaranhamento quântico” é visto como uma base para futuras tecnologiastipo: computação quântica, criptografia, e teletransporte… Exprime um ‘fenômeno intrínseco’ da mecânica quântica, que faz 2 ou mais partículas … mesmo sem aparente comunicação física entre si… compartilhar suas propriedades. – Em 2007, um estudo coordenado por Luiz Davidovich … UFRJ, publicado na “Science”, demonstrou que o emaranhamento pode de repente desfazer o…”elo quântico“…entre suas partículas.

A influência do ambiente sobre uma das partículas de um “sistema emaranhado“, foi demonstrada por cientistas brasileiros, num experimento com fótonsutilizando um método conhecido como “tomografia quântica”…Mais tarde, investigando condições precisas em que para 2 feixes de laser ocorre uma ‘morte súbita’ do ‘emaranhamento’, físicos da USP mostraram que é possível gerar feixes sujeitos ao “desentrelaçamento”,      bem como “estados emaranhados estáveis”, não sujeitos à uma “morte súbita“.

Tomografia quântica da morte súbita                                                                            Demos um pequeno passo ao entendimento da dinâmica do emaranhamento                  rumo à futura construção de…’sistemas quânticos’…mais robustos e estáveis”.

Em 20 de abril de 2006, uma equipe do ‘Grupo de Óptica Quântica’ do Instituto de Física da UFRJ publicou um artigo na conceituada ‘Nature‘ em que relatava a 1ª medição direta de um dos fenômenos mais estranhos/fascinantes do mundo quântico…o assim chamado ‘emaranhamento, ou ‘entrelaçamento‘ de partículas  como átomos, elétrons, ou partículas elementares de luz (fótons). – Em 27/04/2007… os pesquisadores brasileiros emplacaram outro importante artigo, sobre o mesmo tema. Nas páginas da ‘Science’, eles mostraram como o “emaranhamentopode repentinamente desaparecer…através de um fenômeno conhecido como “morte súbitaAgora, a mesma equipe desta vez formulou,  e demonstrou uma lei…descrevendo experimentalmente a “dinâmica do entrelaçamento”.

Numa linguagem mais coloquial, o que os físicos do Rio de Janeiro fizeram foi criar uma “equação geral” que lhes permite estimar com precisão, e de modo simples, a perda de emaranhamento de um sistema formado por duas partículas, quando uma delas sofre os efeitos deletérios do ambiente – tais como atrito… ou temperatura. – O novo método prescinde de reconstruir o ‘estado final’ do sistema emaranhado; uma tarefa difícil de se obter, e com resultados imprecisos; como assim explica o físico Luiz Davidovich (UFRJ):

“Até agora só existia uma equação, proposta num trabalho teórico publicado no ano passado na revista ‘Nature Physics’, para descrever a dinâmica do ‘emaranhamento’ num caso particular e idealizado…do estado inicial do sistema totalmente conhecido.    Essa nova equação é uma generalização da anterior – servindo também a situações mais próximas do real…quando há uma incerteza sobre o estado inicial do sistema.

“Equação do desentrelaçamento” 

Definido por Albert Einstein como uma “ação fantasmagórica à distância”… – o  emaranhamento quântico‘… é um fenômeno estranho ao mundo da física clássica newtoniana – em que vivemos.  Como que por mágica…ele faz com que  um conjunto de partículas elementares compartilhe certas características… até mesmo sem ligação física entre elas.

Se, em vez de 2 partículas elementares, tivermos um sistema composto de 2 dados emaranhados… — esse bizarro conceito do universo quântico fica mais fácil de ser entendido. — Por apresentarem essa forte correlação…quando jogados…os dados          apresentam sempre o mesmo resultado; a soma de seus valores, é por exemplo 10.

O problema … é não ser possível determinar as propriedades de ‘cada uma’ das partículas entrelaçadas; apenas aquelas do sistema global…O resultado final do sistema é conhecido, facilmente mensurável – mas se ignora…qual combinação numérica (5 e 5, 7 e 3, 8 e 2, ou outra qualquer) levou a essa soma…Porém, como os dados estão entrelaçados, quando se determina o valor de um deles…por serem complementares, descobre-se também o outro.

No experimento descrito agora na ‘Science’… a equipe de Davidovich gerou – por meio da emissão de um feixe de laser sobre um cristal — pares de fótons emaranhados, em relação a um de seus parâmetros físicos… a polarização (direção espacial, vertical ou horizontal, em que seu campo eletromagnético vibra). Outro parâmetro dos fótons… o ‘momentum (associado à direção de propagação; seu percurso no espaço) atuou no experimento como ambiente externo ao sistema…Os pesquisadores perceberam que ao se produzir interação entre o ‘momentum’ de um dos fótons, e a ‘polarização’ — o “grau de emaranhamento” do sistema era reduzido; concluindo daí que sua equação explicava essa “perda de coerência”. 

b) Novas luzes sobre a “morte súbita” (out/2010)                                                          “No contexto das ‘comunicações óticas‘… ‘perdas‘ costumam ser o ‘pior inimigo’. Mostramos nesse estudo que estados emaranhados robustos não passíveis de morte súbita podem ser gerados – assim como estados sujeitos ao desentrelaçamento“.

Recentes estudos realizados por cientistas da USP, ajudaram a ampliar o conhecimento sobre o…“efeito de morte súbita” – um dos principais limitantes para a aplicação do fenômeno do ‘emaranhamento quântico. Segundo Paulo Nussenzveig (Instituto de Física/USP)… um dos autores do estudo – o emaranhamento pode ser frágil a ponto de desaparecer…se os feixes que se propagam forem submetidos a perdas; e complementa:

“Mesmo na situação mais simples possível, com o uso de apenas 2 feixes de                            laser, o desentrelaçamento total só pode ocorrer com perdas parciais”.

entrelacamento-qubitsA partir de um tratamento teórico do problema, foi possível estabelecer uma fronteira entre os estados robustos, e frágeis do emaranhamento… – e assim, saber de antemão…se um estado é ‘estável’, ou não.  Já de acordo com Marcelo Martinelli… também do Instituto de Física/USP, um 1º trabalho publicado na ‘Science‘…em 2009… – mostrou que o efeito de “morte súbita” no emaranhamento se apresentava, não só em “sistemas discretos (com um conjunto finito de resultados possíveis), mas também em ‘macrossistemas de “variáveis contínuas“. Naquele estudo, foi gerado pela primeira vez um ‘emaranhamento quântico’ de 3 feixes de luz de frequências (cores) diferentes. – Esse foi um feito importante…mas, já era previsto…A surpresa mesmo…foi observar que aquele emaranhamento poderia então desaparecer… – por “perdas finitas”.

“Desentrelaçamento” por perdas finitas

Os resultados da pesquisa abrem caminho para estudos sobre ‘teletransporte quântico‘, que é o objetivo fim do projeto coordenado por Martinelli… Segundo o cientista, certas propriedades quânticas podem enfraquecer – ao longo do tempo… ao interagirem com sistemas externos… – Contudo, elas ainda persistem… mesmo no limite observacional.    No caso do emaranhamento, porém…isso não ocorre – pois…quando há perdas finitas, como, por exemplo… na propagação por uma certa distância – seja em fibra ótica… ou         ao ar livre… – o sistema pode evoluir para um… “estado separável“… – perdendo o emaranhamento; e podemos declarar, com efeito, que o sistema está “desentrelaçado”.

No trabalho de 2009…os pesquisadores observaram o efeito da ‘perda de                      coerência‘, mas não sabiam se era devido à “complexidade intrínseca” do                      experimento com 3 campos emaranhados…Mas agora, explicou Martinelli:

“Voltamos um passo atrás no sistema, observando apenas ‘feixes gêmeos’ gerados no oscilador paramétrico ótico. Estudando o que ocorre no sistema mais simples, vemos que… – mesmo nesse caso… pode haver desentrelaçamento por perdas finitas. Isto é,       o emaranhamento pode ser perdido… mesmo no sistema mais simples do tipo laser”.

“Aplicações práticas”                                                                                                   Existem diversas propostas recentes – para o emprego de                                                  ‘propriedades quânticas’ no processamento da informação,                                                  dentre elas o uso de variáveis eletromagnéticas contínuas”. 

A luz é considerada o meio ideal para transportar a informação de um ponto a outro… seja entre 2 estações remotas, seja entre 2 “sítios” dentro de um chip óptico… Mas, ao longo da propagação, vemos que a interação com o sistema, por meio da atenuação do campo, pode destruir o emaranhamento utilizável… – Isso implica cuidados que devem ser tomados no projeto de um sistema quântico de processamento de informação…como frisou Martinelli:

       (Instituto de Física - USP)

(Instituto de Física – USP)

“Ao gerar feixes… — tanto ‘robustos’, quanto ‘instáveis‘… – sujeitos à ação      do ‘desentrelaçamento‘ … o trabalho será importante no desenvolvimento    de dispositivos fotônicos capazes controlar a luz… – a convertendo em ‘sinais elétricos’… – ou…vice-versa…     

Desse modo então ampliamos nosso tratamento àqueles sistemas mais complexos‘, estudando a dinâmica      do emaranhamento nesses sistemas”.

O controle sobre as propriedades de “emaranhamento” é importante para a realização de uma das tarefas básicas em processamento quântico de informação…o ‘teletransporte‘. Armazenar, transmitir e processar informação explorando as inusitadas propriedades do mundo quântico é uma das apostas da informática para o século XXI. Contudo, ainda há muita pesquisa básica a se aplicar… na concretização de um PC movido a átomos/fótons.

c) Recuperando … “informações quântico-ambientais” (dez/2012)                            Nossa ideia é tentar entender o emaranhamento como uma grandeza física                    qualquer…como energia ou velocidade, a fim de estabelecermos suas leis de                    evolução. Apesar de ainda não termos realizado isso…vimos que é possível.

Pergunte a um físico sobre de que é feito o Universo e provavelmente ouvirá que tudo,   das estrelas aos seres vivos – é formado por partículas atômicas…que apresentam um comportamento bastante exótico, descrito à perfeição pelas leis da mecânica quântica.    No dia a dia não se notam as “propriedades estranhas” dessas partículas, porque elas interagem com o ambiente ao redor… – Este meio no qual as partículas se encontram imersas, exatamente por ser muito complexo, absorve essas características quânticas,        e as dissipa… irremediavelmente. Perdidas essas propriedades, os componentes mais elementares da matéria passam a se comportar … como qualquer “objeto observável”.

Porém, em um experimento com partículas de luz realizado meses atrás na UFRJ – um grupo de físicos brasileiros provou que nem sempre a “informação quântica” que chega    ao ambiente é perdida para sempre. Ou, ao menos, não imediatamente…Sob condições especiais, parte da informação é retida, podendo até ser recuperada… disse Davidovich, que com Paulo Ribeiro e Stephen Walborn coordenou os trabalhos. E ele ainda explica:

“É como se a interação da partícula com o entorno                                        deixasse uma…impressão digital no ambiente”.

Apresentada na edição de outubro da revista ‘Physical Review Letters‘ – a constatação de que a perda de informação é incompleta… pode atrair o interesse de físicos e especialistas em teoria da informação por 2 motivos…O 1º é de ordem prática. Como a informação não se esvai completamente, nem de uma só vez — isso simplificaria a construção de sistemas mais estáveis, que permitam usá-la para cálculo; como no caso do ‘computador quântico’; ou, para uma transmissão com mais segurança … por meio da “criptografia quântica“.

Conhecer melhor como as partículas atômicas interagem com o meio pode contribuir para estabelecer os limites… – de tamanho, massa, ou energia – que separam o mundo clássico, do quântico. Em outras palavras, saber até que ponto valem as ‘leis da mecânica quântica’.  Essa, a propósito, é uma questão tão perturbadora quanto antiga. Segundo os físicos nada nessa teoria…que começou a ser formulada há pouco mais de um século, indica haver esse limite… – Assim…se as partículas “individualmente” apresentam características quânticas provadas e comprovadas pelos experimentos já realizados, tudo o que é feito de partículas (plantas, animais, planetas, estrelas…) também deveria ter um comportamento quântico.

Decoerência x Interferência quântica

“Há consenso entre os físicos… da condição do mundo ser quântico; apenas não se sabe a forma de recuperar o clássico…a partir de uma descrição puramente quântica”…(Pelo menos não de modo que a possível solução, aos olhos de um leigo, não pareça ‘mágica’). Ou seja, não há como reproduzir o clássico, sem perder informações…sobre o quântico.

Com efeito, à medida que a sofisticação da mecânica quântica desconectava o mundo das partículas…da realidade acessível às pessoas – diversas tentativas de reconciliação foram propostas. Desde o mero ato de observar’ (eliminando a superposição de estados, ou interferência quântica) de Max Born… até a explicação mais aceita de… – por que não se observam propriedades quânticas em objetos macroscópicos’apresentada no início dos anos 1970 pelo físico Heiz-Dieter Zeh… Ele teria observado que os sistemas macroscópicos que compõem o mundo clássico… – regido pelas leis da física de Newton, jamais estão isolados do ambiente, com o qual interagem continuamente. Por isso, esses sistemas não poderiam ser descritos por “equações de Schrödinger”, aplicáveis apenas a “sistemas fechados”. A consequência dessa conclusão foi verificada – tempos mais tarde por Wojciech Zurek, físico polonês do “Los Alamos National Laboratory” (LANL). Nessa interação – a informação do sistema quântico escapa para o ambiente… por meio de um fenômeno que Zurek chamou de “Decoerência”… (propriedade da perda de “coerência”.)

Um teste clássico da física, o experimento da fenda dupla que Thomas Young usou há mais de 200 anos para investigar se a luz é composta de ondas ou partículas…(a mecânica quântica demonstra que é simultaneamente ambas)…pode nos ajudar nessa compreensão.

interferência óticaEspeculações… sobre a “natureza da luz”,  remontam à Antiguidade. Por volta da 2ª metade do século XVII, 2 tipos de teorias haviam se estabelecido – uma, tendo por base ‘partículas‘, e outra… sustentando que a luz era transmitida por…’ondas‘…  assim como o som. – Teorias tanto sobre ondas quanto sobre corpúsculos podiam explicar a ‘reflexão’ e a ‘refração’. O teste decisivo seriadifração‘, einterferência‘. A experiência da dupla fenda de Thomas Young realizada em 1800 prova após um século de debates, uma “luz ondulatória”.

Nesta experiência, um feixe de laser atravessa 2 fendas estreitas, separadas por fração de milímetro. – O que vemos é uma série de faixas claras e escuras…chamadas “franjas de interferência“. Por ter natureza ondulatória, tal qual ondas na superfície de um lago, a luz se recombina como se a cada fenda correspondesse uma fonte de luz. — Quando uma crista de onda encontra outra, elas se somam, gerando uma crista mais alta…e, quando 2 vales se encontram, também. Todavia, quando uma crista coincide com um vale, por um efeito destrutivo, se anulam…A combinação de cristas e vales produz faixas iluminadas e escuras, que se intercalam…resultando nas “franjas de interferência”E, George Matsas, físico teórico da Unesp, propõe como definição para explicar esse conceito quântico, que: 

Coerência é a propriedade que os sistemas                                                          têm de produzir esse padrão de interferência”.

Porém, os físicos descobriram que, o que acontece com as ondas também ocorre com átomos ou partículas atômicas como os elétrons. Lançados um a um, aleatoriamente, contra o 1º anteparo… os átomos produzem padrão de interferência similar ao da luz.    Para a mecânica quântica…isso só se explica se cada átomo passar, simultaneamente, pelas 2 fendas (‘propriedade ondulatória’)…Diversos experimentos já demonstraram      que quando se usa qualquer tipo de detetor para tentar saber por qual das 2 fendas a partícula de fato passou…a resposta é sempre única… a partícula passa pela fenda da direita, ou da esquerda. Entretanto, quando esse tipo de medição é feita…a franja de interferência desaparece do segundo anteparo… – e assim… – perde-se a “coerência”.

Essa 2ª medição…(como uma abertura da caixa para espiar o ‘gato‘) é considerada uma…”interação do sistema com o ambiente”… Antes isolado, o sistema mantinha comportamento quântico. Nesse estado, o fóton, ou elétron (por exemplo) podiam      passar pelas 2 fendas ao mesmo tempo. Desfeita a coerência, tal capacidade some;                e as partículas assumem comportamento clássico (atravessam apenas uma das 2).      Nessa transição ao mundo clássico perde-se informação quântica, como a que  permitia à partícula estar em 2 lugares ao mesmo tempo (ou, o gato…morto/vivo).

Já em um artigo publicado em 2002 na “Los Alamos Science“…revista de divulgação dedicada a temas da fronteira da ciência… o físico teórico Wojciech Zurek comentou:  “Uma forma de entender a existência objetiva induzida pelo ambiente…é reconhecer      que os observadores…em especial…os humanos – não medem nada diretamente. Na verdade, a maior parte dos dados que obtemos sobre o universo é adquirida, quando informações sobre os sistemas que nos interessam são interceptadas pelo ambiente”.

Para Zurek…a ‘decoerência ocorre porque o ambiente faz medições sobre os sistemas quânticos o tempo todo. Assim como a tentativa de descobrir por qual fenda passou o elétron, essas medições eliminam informações… ou, estados quânticos mais frágeis, e deixam apenas os mais estáveis…que são aqueles que se percebem no mundo clássico. A essa destruição seletiva de informação, Zurek deu o nome de ‘darwinismo quântico’.

Na fronteirados 2 domínios                                                                                                Efeitos quânticos foram observados em objetos tão grandes como um buckyball (fulereno), mas não, em vírus. – Tamanho pode não ser um limite para se entrar               no “mundo quântico” — desde que um objeto se mantenha isolado do ambiente”. na-fronteira-de-2-mundos

Em 1900, Max Planck chegou a uma conclusão – que levaria ao desenvolvimento                de toda a mecânica quântica. Ele verificou que, na natureza a energia era trocada            entre átomos e radiação em quantidades discretas (“pacotes”) que ele chamou de              “quanta” – plural de “quantum”. Já no mundo macroscópico, fótons…como os                  vindo das estrelas, colidem o tempo todo com objetos. Davidovich…que há quase                  3 décadas investiga “fenômenos complexos” da mecânica quântica explica que:

Decoerência é o fenômeno que determina a passagem                                  do mundo quântico…ao clássico – como se por medições                destruíssemos as interrelações da informação quântica”.

Em 1927, Niels Bohr propôs que essa fronteira variava de um sistema para outro. Mas,    até hoje não se observou um limite de tamanho, massa ou energia…que estabeleça um        tipo de fronteira entre um mundo e outro. Contudo, há alguns anos, a equipe do físico Anton Zeillinger demonstrou que moléculas de…’fulereno‘, formadas por 60 átomos          de carbono – e com estrutura semelhante à de uma… “bola de futebol” mantêm um      ‘comportamento quântico’ (como onda e partícula) no experimento da…”dupla fenda”. 

Medindo a decoerência (ou ‘desentrelaçamento’)                                                   ‘Embora ainda não se conheçam os limites, os físicos têm hoje uma ideia mais precisa        dos fatores que influenciam a transição do mundo clássico ao quântico… e vice-versa.’

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Uma cavidade ótica. Dois espelhos frente-a-frente aprisionam um fóton (em vermelho) que é estudado usando um íon (em verde) que atravessa a cavidade

Em 1986…quando no laboratório do físico Serge Haroche… — em Paris… Davidovich começou a investigar essa questão… — ele,  junto com seu colega… NicimZagury — da UFRJ e equipe iniciaram o planejamento   de um sistema, que permitisse ‘simular‘ a ‘medição do ambiente‘ sobre ‘sistemas quânticos’. Davidovich… dez anos mais tarde publicouao lado de seus colegas franceses um artigo na…’Physical Review‘  detalhando a maneira de como o ‘sistema’ poderia ser construído…de modo a medir  informações do “sistema quântico”bem como… acompanhar sua passagem…ao clássico…em função do “efeito ambiente”. 

A ideia era aprisionar fótons de uma luz com pouca frequência energética (‘microondas’)  que se encontrariam em superposição de estados, no interior de uma cavidade feita com espelhos especiais. Essa ‘superposição’ é análoga a ter uma cavidade “acesa” com fótons,    e “apagada” (sem fótons)ao mesmo tempo, e em seguida, fazer um átomo atravessá-la.    Ao passar pela cavidade…o átomo altera a energia dos fótons, que por sua vez, alteram o nível de energia do átomo. Ao avaliar o átomo que saiu da cavidade…os pesquisadores conseguiriam conhecer as características dos fótons aprisionados; se estavam ou não em uma superposição de estados. E esse experimento demonstrou que: O tempo em que ocorre a perda de informação quântica (tempo de decoerência) é inversamente proporcional ao nº de fótons aprisionados na cavidade”. Esse trabalho; com uma série de estudos conferiu a Haroche (e David Wineland) o ‘Nobel de Física‘ de 2012.

Essa relação que encontraram, explica por que não se observam objetos macroscópicos em mais de um lugar ao mesmo tempo…Como são feitos       por um número muito elevado de partículas, esses objetos perdem suas características quânticas num intervalo de tempo absurdamente curto.

Anos atrás, Zurek havia demonstrado que, à medida que o sistema quântico interage com o meio que o envolve, e perde informação – ou seja…sofre decoerência…registros dessa informação ficam no ambiente. Agora, no estudo da Physical Review Letters Davidovich,  e os físicos…Souto Ribeiro, Stephen Walborn, Osvaldo Jimenez Farias, Gabriel Aguillar, e Andrea Valdéz-Hernández mostraram, em experimento com fótons…que o mesmo ocorre com a propriedade fundamental denominada entrelaçamento (ou emaranhamento).

Impressões quânticas no “Mundo clássico”                                                            “Fótons emaranhados podem manter parte de suas propriedades                                        quânticas mesmo depois de interagirem com o ambiente externo”. 

Utilizando um “feixe de laser”, incidindo sobre uma série de filtros e cristais, os pesquisadores  puderam observar o “entrelaçamento”…em um ambiente bem simples… – extremamente mais simples…do que aquele em que vivemos; sobre o qual, tinham completo controle – podendo assim realizar medições…para saber quanto de informação foi perdida peladecoerência“.

“Talvez esse seja o único ‘sistema físico’ em que se consegue medir – completamente… o estado do ambiente”… – assim explicou Souto Ribeiro.

Ao atravessar o primeiro cristal o feixe de laser contendo trilhões e trilhões de fótons gera apenas um par de fótons entrelaçados. — No caso, os pesquisadores entrelaçaram o plano de vibração da luz…a polarização, que podia ser vertical ou horizontal. Após essa 1ª etapa, cada um dos fótons segue um caminho distinto rumo ao detetor. Antes que a ‘medição da polarização seja conferida…no final do percurso…um dos fótons passa por outra série de cristais e filtros, e ganha mais um tipo de informação codificada do rumo que percorreria em seguida (direita ou esquerda).É assim como se os fótons tivessem interagido com o ambiente externo ao sistema de modo a transmitir para ele uma parte de sua informação.

Os físicos observaram que o entrelaçamento inicial entre a polarização dos 2 fótons começou a desaparecer depois da interação com o ambiente. Mas, em alguns casos,           surgiu ao final da experiência, uma forma distinta de entrelaçamentoem que os 2           fótons se apresentavam emaranhados com o ambienteSegundo os pesquisadores,           ao se conhecer a parte da informação perdida para o ambiente…talvez seja possível recuperá-la; disse Souto Ribeiro, que coordenou com Stephen Walborn, mais Amir Caldeira e Marcos Oliveira, da Unicamp, outro estudo publicado em novembro…na Physical Review Letters mostrando que aqueles “estados mais estáveis”, previstos            por Zurek, podem se tornar evidentes, antes mesmo que o sistema se torne clássico.

O fato da experiência funcionar em ambiente simples, indica que também deve dar      certo nos mais complexos… nos quais é difícil realizar medições…uma vez que as equações que descrevem a interação são as mesmas…em ambos ambientes…A esse respeito, Davidovich considera o trabalhoapenas o começo de um novo caminho:              “O experimento feito nos dá apenas uma ‘informação parcial’ sobre o que acontece,        porque o objeto está longe de ser considerado ‘macroscópico’ – gostaria de estudar                as impressões digitais que objetos macroscópicos deixam no ambiente. O próximo         passo a se explorar do ponto de vista teórico, deve ser o que ocorreria nesse caso. Planejar um experimento para observar isso… seria extremamente interessante”. 

a) Artigo originalmente escrito por MARCOS PIVETTA | Agência FAPESP  http://revistapesquisa.fapesp.br/2009/06/01/a-formula-do-emaranhamento/  (Junho/2009) Artigo relacionado: ‘Determining the dynamics of entanglement’.     Farías, O. J. et al. –  Science Express Reports, publicado online em 14/05/2009. 

b) Artigo originalmente escrito por FÁBIO DE CASTRO Agência FAPESP  http://agencia.fapesp.br/12951 (Out/2010) Artigo relacionado…’Robustness of                   bipartite Gaussian entangled beams propagating in lossy channels’ de Marcelo Martinelli, Paulo Nussenzveig e outros — publicado dia 17/10 na edição on-line da Nature Photonics.

c) Artigo originalmente escrito por  RICARDO ZORZETTO | Agência FAPESP  sobre-gatos-fotons-e-mundos-estranhos (Dez/2012) Artigos relacionados: FARIAS, O.J. et al…   ‘Observation of the emergence of multipartite entanglement between a bipartite system and its environment’. Physical Review Letters. out. 2012. Cornelio, M.F. et al. – “Emergence of the pointer basis through the dynamics of correlations”. Physical Review Letters. 9 nov. 2012. 

Grupo da UFRJ composto pelos pesquisadores Luiz Davidovich, Paulo Henrique Souto Ribeiro e Steve Walborn, Camille Latune, Gabriel Aguillar, Andrea Valdéz-Hernández…e, Osvaldo J. Farías. – Grupo da USP…composto pelos pesquisadores Paulo Nussenzveig, Marcelo Martinelli, Felippe Barbosa, Alessandro S. Villar … Katiúscia Nadyne Cassemiro, Antonio Sales Oliveira Coelho, e Alencar José de Faria. [Ambos os grupos fazem parte do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Informação Quântica… ‘Instituto de Física Gleb Wataghin’/UniCamp… coordenação de Amir Caldeira… e…George Matsas/UNESP] **********************************************************************************

“Metrologia quântica“…estima limite fundamental de precisão                          Como estimar a ‘dimensão da incerteza’ em medições na escala quântica,                                e reduzir essa…”incerteza” — para que as medições sejam mais precisas?

“A estimativa de parâmetros é um problema antigo na ciência. Para isso até agora, ninguém sabia como avaliar a influência do ambiente em experimentos quânticos”,         disse o físico Luiz Davidovich…professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Físicos brasileiros desenvolvem método para estimar a precisão de medição em sistemas quânticos.[Imagem: Escher et al./Nature Physics]

Físicos brasileiros desenvolvem método para estimar a precisão de medição em sistemas quânticos.[Imagem: Nature Physics]

Medir fenômenos quânticos, com sondas equivale…em outra escala, a avaliar … a profundidade de um poço … com uma ‘onda sonora‘,  ou usar “ultra-som” para medir   a criança… no ventre da mãe… Se trata de uma ‘estimativa indireta’, com grau intrínseco de incerteza.  Mas nessa escala há um limite de precisão – teoricamente definido.

A novidade, é que para “fenômenos quânticos”…existem formas de se reduzir a incerteza nas medições. É o caso do ‘emaranhamento’, que faz com que certas propriedades sejam compartilhadas entre aparelhos de medida, melhorando muito sua precisão. O problema no caso, é que isso só funciona em situações ideais, sem interferências ambientais, como ‘efeitos de temperatura’. Algo que no mundo real nunca acontece. – Segundo Davidovich, o mais importante da teoria proposta no artigo publicado na “Nature Physics, é que não se limita a estimar a influência do mundo real nas medições podendo também avaliar,    em cada situaçãocomo otimizar a precisão – ao mostrar que um grande nº de medidas pode eliminar “efeitos quânticos” na interferência do ambiente. E conclui o pesquisador:

“Através da transição entre regimes quântico e clássico…estamos chegando                         mais perto de um equilíbrio adequado, entre a beleza diáfana da mecânica                       quântica e a ferocidade das imperfeições do mundo real”. texto base (2011)                    ‘Discórdia quântica’ (out/2011) Resolvendo ‘discórdia quântica’ (jun/2015)  **********************************************************************

Entrelaçamento de três partículas (jan/2013)                                                                      No “entrelaçamento quântico”2 partículas ficam tão intimamente                                  conectadas, que qualquer coisa que aconteça a uma, imediatamente                          interferirá com a outra…qualquer que seja a distância que as separe.

Um único fóton cria diretamente os 3 fótons, que nascem como trigêmeos siameses — não só em energia, mas também no tempo. [UWaterloo/IQC]

Sobre as contribuições que Albert Einstein deu à física e cosmologia, todos já ouviram falar à exaustão. Porém um aspecto menos comentado nessas pesquisas de fronteira é que as concepções que levam aos modelos,    às teorias e experimentos, seja na física ou cosmologia…são essencialmente conceitos filosóficas acerca do mundo…ou realidade. Em 1935…Albert Einstein, Boris Podolsky,      e Nathan Rosen, publicaram um exercício mental‘, idealizado para demonstrar que a mecânica quântica não era o bastante para descrever a realidade. — A “entidade EPR” (como ficou conhecida) queria comprovar, com 2 partículas entrelaçadas, parâmetros ocultos…não considerados quanticamente.

Mais tarde, John Bell, analisando os ‘argumentos EPR’, verificou que esses parâmetros ocultos defendidos eram incompatíveis com as observações da natureza preservando assim os mistérios da mecânica quântica. – Hoje…contudo…o entrelaçamento de duas partículas, conforme proposto inicialmente pelo EPR – é algo trivial…um mecanismo empregado rotineiramente em tecnologias emergentes – como “computação quântica”, “criptografia quântica”…e “medições ultraprecisas”. Agora, 77 anos depois do trabalho seminal dotrio ‘EPR’ de mentes entrelaçadas, pesquisadores das universidades de Waterloo e Calgary, no Canadá, foram além dos ‘experimentos mentais’Eles fizeram        um experimento real, que estende as ideias originais de Einstein, Podolsky e Rosen de        2para 3 partículas entrelaçadas…e, de quebra, evitando a possibilidade de que surja alguém para dizer que suas ideias são incompatíveis com as observações da natureza.

Além das implicações filosóficas, o experimento poderá aumentar exponencialmente a capacidade teórica já enorme dos computadores e simuladores quânticos.

‘Entrelaçamento’ é um tipo de correlação quântica, tal comodiscórdia quântica, e vários outros fenômenos similares … que agora começam a ser estudados. — Neste trabalho foram produzidas…”correlações quânticas” entre 3 fótons provenientes de um único fóton de entrada – nascidos semelhantes… não apenas, em termos energéticos mas tambémno tempo.

Thomas Jennewein, orientador do grupo, assim comentou “É bastante animador, depois de todo esse esforço…ser capaz de criar…controlar…e emaranhar partículas quânticas…com essa admirável precisão”.

Ao contrário das partículas clássicas partículas quânticas têm comportamento conjunto,  e não individual. – A criação de um entrelaçamento de 3 partículas é algo tão radicalque poderá levar a novos avanços no desenvolvimento de certos dispositivos quânticos…Como Jennewein explicou: “Usando estes estados da luz pode ser possível interagir e emaranhar memórias de computadores quânticos distantes umas das outras – construídas com gases atômicos exóticos”. — Combinar essas 3 partículascom os tipos de entrelaçamento mais tradicionais — por exemplo… — poderá aumentar exponencialmente a capacidade teórica — já indescritivelmente grande — dos… “computadores”… — e… “simuladores quânticos”. 

Este emaranhamento tripartite poderia permitir a criação de sistemas híbridos,                    combinando várias propriedades da luz, tudo ao mesmo tempo, e contribuindo,                  na prática, com futuras redes de comunicação ultrarrápidas – além de permitir                  novos testes fundamentais da teoria quântica…o que pode também aprofundar                      a forma como entendemos o mundo… Ou, pelo menos, a forma como o mundo                    se nos apresenta — mesmo que ainda não tenhamos todas explicações para ele.

Há muito tempo se fala sobre coisas como efeito borboleta, mas quase sempre                    em termos de efeitos mecânicos clássicos… Será que estamos diante de novas                    formas de inter-relacionamento?…Afinal, “sistemas quânticos”…como átomos e                  fótons…estão se relacionando e interagindo uns sobre os outros continuamente.                Como prevê Christoph Simon, membro do grupo…“Este trabalho abre uma rica                área de trocas da filosofia…com mecânica e tecnologias quânticas.” (texto base**************************************************************************

* Informação em dobro * (Jan/2014)                                                                                        Técnica duplica quantidade de dados que podem ser recuperados num sistema quântico’

Uma equipe de físicos brasileiros demonstrou que o emprego de uma ‘técnica alternativa‘ para recuperar informação … armazenada em fótons dobra a capacidade de transmitição de dados em…”sistemas quânticos”… (efeito que poderá ser de grande utilidade, no avanço da computação por bits quânticos). O método, mais conhecido como … “medida assistida por cavidade“…consiste de um conjunto de espelhos formando uma espécie de caixa de ressonância… – que através de “feixes entrelaçados de laser” permite medir oscilações tênues de fótons…e assim resgatar parte da informação – que antes se perdia no sistema.

Marcelo Martinelli do Instituto de Física da Universidade de São Paulo faz parte do grupo que produziu os trabalhos…no “Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica”. Também assina os artigos o físico Claude Fabre, da Universidade Curie, com a colaboração do “Centre National de la Recherche Scientifique” (CNRS). Os pesquisadores fazem um paralelo entre o “efeito quântico” produzido pelo emprego da ‘medida assistida por cavidade‘, e a repercussão criada no setor de áudio, pela adoção de aparelhos capazes de reproduzir o ‘som estéreo’. – Uma estação FM, por exemplo, transmite músicas em 2 canais – independentes e simultâneos … operando em frequências ligeiramente distintas. Desse maneira, cada canal pode disseminar “ao mesmo tempo informações diferentes.

Numa…”música instrumental” – o baixo e a bateria podem estar registrados no canal direito, enquanto o piano e a guitarra estão gravados no outro canal — o da esquerdaOcorre algo semelhante numfeixe de lasercom fótons entrelaçados, em um tipo de “correlação quântica” que pode armazenar, processar, e ainda transmitir informação. 

Experimentos feitos na…’USP‘…produziram um sistema com 3 feixes entrelaçados…de diferentes cores – ou seja…distintos comprimentos de onda. A frequência de cada feixe    era cerca de 300 terahertz…1 milhão de vezes maior que uma transmissão de rádio FM.    A rigor a informação quântica não é armazenada e transmitida por esse canal principal      de luz… – mas sim…por 2 pequenos campos, ou canais de 20 megahertz…ligeiramente acima e abaixo da frequência central. Assim como no caso do ‘sistema estereofônico de rádio’, cada canal secundário é capaz de carregar informações específicas…Retomando      a comparação radiofônica… — é como se alguém usasse um reprodutor de sons que só tocasse um canal… — no modo ‘mono’… — para ouvir uma ‘transmissão em estéreo’. Mesmo em mono é possível entender a emissão… – mas, alguns detalhes são perdidos.

É mais ou menos isso o que acontece ao se resgatar informação quântica em um sistema, com a técnica tradicional da ‘deteção homódina’Enquanto no experimento feito com 3  feixes de laser o método convencional só registrava 3 canais de informação quântica – a ‘medida assistida por cavidade‘ flagrava 6 (um par de dados por feixe). (texto base)    *******************************(texto complementar)******************************

Físicos observam interface quântico/gravitacional                                                        Atualmente os osciladores optomecânicos conseguem variar 1 milhão de vezes, o que pode estar perto do necessário para testar a decoerência pela gravidade. Para isso, perturbações ambientais sobre o oscilador devem ser reduzidas à sensibilidade do impacto de um fóton.

Devido à decoerência ambiental…a ideia de testar superposições quânticas de objetos massivos em experimentos de laboratório, parecia há décadas fora de questão. De acordo com Gerard Milburn – pesquisadoror do ‘Centro de Sistemas Quânticos’ da Universidade de Queensland, Austrália… “O problema é conseguir o isolamentocertificando-se que as perturbações sejam apenas gravitacionais”. Todavia, hoje, as perspectivas melhoraram:

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Em um oscilador optomecânico, a luz confinada entre 2 espelhos provoca oscilações harmônicas em um dos espelhos. Pesquisadores planejam utilizar esse dispositivo para confrontar a mecânica quântica com a relatividade geral. (Christopher Baker e Ivan Favero da Université Paris Diderot-CNRS)

Dirk Bouwmeester, pesquisador da ‘Universidade da Califórnia’ … e de Leiden, Holanda…desenvolveu um ‘modelo experimental’ chamado ‘oscilador optomecânico’ Esse  ‘jogo de espelhos’ tem por objetivo fazer a ‘superposição quântica’   entre dois ‘modos de vibração‘; e depois verificar se a ‘gravidade’ desestabiliza a…“superposição”. Há tempos, os melhores aparelhos oscilavam 100 mil vezes…Mas isso ainda era ‘insuficiente’ — para que surgissem efeitos gravitacionais.

Vencendo a Incerteza

Muitas teorias de gravidade quântica propostas envolvem modificações no princípio da incerteza de Heisenberg, pedra fundamental da mecânica quântica, que diz que não   é possível medir com precisão – tanto a ‘posição’ – quanto o ‘momento’ de uma partícula. Qualquer desvio, pela fórmula de Heisenberg, aparecerá na incerteza “posição-momento” de um oscilador ótico-mecânico…pois, este é afetado pela gravidade. – A incerteza, em si,   é infinitamente pequena – uma indefinição…de cerca de 100 milhões de trilionésimos da largura de um próton – mas Igor Pikovski… teórico do grupo de Markus Aspelmeyer; físico da Universidade de Viena, descobriu uma técnica para detetá-la, conforme explica:

Quando um pulso de luz atinge o oscilador… sua fase (a posição dos seus altos e baixos) passará por uma variação perceptível…dependente da incerteza. Desvios das previsões formais da mecânica quântica seriam a evidência experimental da gravidade quântica.

macroscopic_superposition

A gravidade curva o espaço e o tempo em torno de objetos massivos. — O que acontece quando esses objetos estão em superposições quânticas  –  curvando o espaçotempo de 2 maneiras diferentes?

Nesse sentido — Aspelmeyer e sua equipe estão desenvolvendo 3 diferentes experimentos sobre a ‘interface quântica‘ da gravidade: 2 em laboratório – e…um, via satélite orbital. No teste espacial, uma ‘nanosfera‘ será resfriada, até seu nível mais reduzido de energia cinética… – e um ‘pulso de laser‘ vai colocar a nanosfera numa “superposição quântica” de dois locais distintos – criando uma situação semelhante à ‘experiência da dupla fenda’.  A nanosfera vai se comportar como uma onda, com 2 picos de interferência…se movendo em direção a um detetorCada nanosfera poderá ser detetada em apenas um único local, mas após múltiplas repetições do experimento…’franjas de interferência’ surgirão em sua distribuição local…Porém, caso a gravidade destrua as superposições…’elas’ não surgirão.

Muitos físicos esperam que a teoria quântica vença…Eles acreditam que a nanosfera deve, a princípio, ser capaz de existir em 2 lugares ao mesmo tempo…assim como fótons fazem. Seu ‘campo gravitacional‘ deve ser capaz de se ‘auto-interferir’…assim como o campo eletromagnético do fóton faz… durante uma superposição quântica. E, disse Aspelmeyer:

“Eu não vejo por que esses conceitos da teoria quântica… que provaram sua eficiência para o caso da luz deveriam falhar… – para o caso da gravidade“.

No entanto, a incompatibilidade entre a ‘relatividade geral’ e a ‘mecânica quântica’, sugere que a gravidade possa se comportar de forma diferente. – Uma ideia interessante é que ela possa atuar como uma espécie de inevitável ruído de fundo, colapsando as superposições. Como comentou Miles Blencowe, físico da ‘Dartmouth College’/EUA: “Enquanto podemos nos livrar de moléculas de ar e radiação eletromagnética…não podemos filtrar a gravidade. Para mim esta é tal como uma inevitável espécie de…’ambiente fundamental de fundo”.

Decoerência gravitacional                                                                                                    “Seria um resultado… extraordinário — se a explicação fundamental para o                    princípio da incerteza incluísse alguns efeitos quânticos do espaço e tempo”.

A ideia de um ‘ruído de fundo’ foi concebida nas décadas de 1980, e 90 por Lajos Diósi, do Centro de Pesquisa Física Wigner/Hungria; e independentemente, por Roger Penrose…da Oxford University. Segundo o ‘modelo de Penrose‘, uma leve discrepância na curvatura do espaçotempo, pode acumular-se numa superposição, e eventualmente, destruí-la. Quanto mais massivo ou energético o objeto envolvido, e portanto maior seu campo gravitacional, mais rápido a ‘decoerência gravitacional’ se daria. Até que a discrepância do espaçotempo por fim resultasse num nível irredutível de ruído na posição e momento das partículas, de acordo com o ‘princípio da incerteza’…Inspirado na possibilidade de testes experimentais, Milburn e outros teóricos estão expandindo as ideias básicas de Diósi e Penrose Em um artigo de 2013, Blencowe derivou uma equação para a taxa de decoerência gravitacional… modelando a gravidade como uma espécie de “radiação ambiente”…Sua equação contém uma quantidade chamada “energia de Planck”… a massa do menor buraco negro possível. Conforme ele explicou…“Ao falamos em energia de Planck, pensamos em “gravidade quântica. Então, é possível que o cálculo trate de elementos desta teoria. Com uma, ela nos diria que a gravidade é fundamentalmente diferente de outras formas de decoerência”.

Os teóricos estão pensando em como desenvolver experimentos – e o que cada resultado significaria para uma ‘teoria unificada’, ao juntar a mecânica quântica com a relatividade geral; como comentou Philip Stamp, físico teórico da Universidade de British Columbia:    “O maior problema atual da física é como conciliar a gravidade com a mecânica quântica. De repente, é claro que há uma forma!… – Nenhuma delas, até hoje, falhou… porém, são incompatíveis. Se os experimentos conciliarem essa demanda, já será um grande avanço”.

Stamp está desenvolvendo… o que ele chama de “teoria do caminho correlato” da gravidade  quântica … o qual aponte a possibilidade de um ‘mecanismo matemático’, que ajude a explicar a “decoerência gravitacional. – Na mecânica quântica atual…”probabilidades”…de resultados futuros…se encontram…pelasoma integraldos vários caminhos… que a partícula pode assumir, vide ‘trajetórias simultâneas‘ por 2 fendas num anteparo. A revelação de Stamp é que incluindo gravidade no cálculo, os caminhos se conectam: 

“Gravidade, basicamente, é a interação que permite a comunicação entre diferentes caminhos… – E, a correlação entre os caminhos resulta… mais uma vez, em ‘decoerência’. Não há parâmetros ajustáveis. Sem nenhuma margem de manobra… estas previsões são absolutamente definitivas”.

No confronto final entre a mecânica quântica e a gravidade, nossa compreensão de espaço e tempo será completamente mudada. Nós esperamos que estas experiências apontem o caminho“… – concluiu Gerard Milburn. (‘texto original’)  (Outubro/2013) ********************************************************************************

Dilatação do tempo (pela gravidade) destrói fenômenos quânticos  (jun/2015)      Micropartículas agitam-se continuamente … mesmo quando formam objetos maiores. Acontece que esse movimento aleatório também é afetado pela dilatação do tempo; sendo retardado…estando ao nível do chão – e acelerado…em altitudes mais elevadas.

Segundo a teoria da relatividade de Einstein, gravidade é a manifestação da curvatura      do espaço e do tempo…e o fluxo do tempo é alterado pela massa. – A proposta agora…é que a causa da supressão de “efeitos quânticos” em escalas maiores … a assim chamada “decoerência”…pode ser justificada por essa dilatação do tempo…devido à gravidade.

Igor Pikovski e equipe calcularam que, a medida que as partículas de dimensão atômica começam a se aglutinar…desde moléculas, até objetos macroscópicos, a dilatação do tempofruto da gravidade terrestredestrói todo comportamento quântico dessas partículas… — Estando corretos – então…muitos experimentos quânticos – nunca se realizarão…com a devida precisão, na superfície terrestre; devendo assim … ser levados ao espaço,  para garantir a exatidão dos resultados.

Apesar de toda dificuldade em se resfriar as nanoesferas, submetidas à gravidade terrestre, o grupo de Pikovski está elaborando testes na superfície…Muito embora, para Aspelmeyer:

“Já se verifica que as plataformas ópticas em satélites orbitais,                          cumprem os requisitos necessários para nossos experimentos”.

Sua equipe ultrapassou recentemente, uma etapa técnica decisiva para o experimento. Se tudo correr como planejado, ficará definida a relação entre a massa das nanoesferas e sua decoerência, relacionando gravidade com a mecânica quântica. É por essa assimetria que se dá a chamada ‘decoerência‘ – perda de conexão entre ‘estados quânticos‘…que tanta dor de cabeça traz aos pesquisadores – que manipulam qubits…na tentativa de construir ‘computadores quânticos‘… – A equipe provou que este efeito destrói a superposição quântica…obrigando assim objetos maiores a se comportar de forma clássica. ‘texto base’  ***********************************************************************************

inconscienteGravidade e o Efeito Congelante

Há pouco, físicos mostraram de forma incontestável que numa de suas ideias fundamentais da “mecânica quântica”, Einstein se enganou (‘não-localidade’). Além disso expressamente outra equipe também demonstrou, uma das previsões – mais ‘esquisitas‘ da teoria quântica – aquela que o observador perturba os “experimentos quânticos”.

Segundo os físicos Yogesh Patil e Srivatsan Chakram…da Cornell University/EUA … tal “comportamento quântico” possibilita uma nova técnica de controle e manipulação dos estados quânticos de átomos, permitindo (p.ex.) a criação de novos tipos de “sensores”.  Para testar a influência do observador sobre experimentos quânticos, os pesquisadores resfriaram um gás com aproximadamente 1 bilhão de átomos de rubídio no interior de uma câmara de vácuo até próximo o zero absoluto.  Nesse estado átomos se organizam numa ‘grade’ ordenada…como cristal sólido…e funcionam como “entidade única” (tipo condensado); por isso essa estrutura é também denominada como um átomo artificial.

O “Princípio da Incerteza” nos diz que, estando posição e velocidade de uma partícula relacionadas…estas não podem ser, simultaneamente, medidas com precisão… Como  temperatura é medida do movimento de uma partícula, no frio extremo; a velocidade          é praticamente zero (por princípio) há muita flexibilidade na posição, isto é, ao serem observados, os átomos se tornam susceptíveis de estar em qualquer lugar – pois… em temperaturas tão baixas, podem “tunelar” de um lugar para outro…na “rede atômica”.      Os pesquisadores demonstraram então ser possível suprimir o tunelamento quântico (mudanças de posição), meramente observando os átomos… – “Olhe para eles, e eles ‘congelam’ no lugar; interrompa a medição, e eles voltam a tunelar’, disse o professor Mukund Vengalattore, orientador da equipe. E Isto foi feito… repetindo as medições;  quanto maior essa recorrência…menor foi probabilidade dos átomos saírem do lugar.

Este assim chamadoEfeito Zeno Quântico(ou “Efeito Congelante”) deriva de uma proposta feita em 1977, por George Sudarshan e Baidyanath Misra, da Universidade          do Texas, ao notarem que a natureza estranha das medições quânticas permite, que          um sistema quântico seja “congelado” por medições repetidas… feitas em sequência;  sendo esta a primeira observação deste efeito…por medição do movimento atômico,          no espaço real. – Além disso… devido ao alto grau de controle dos experimentos – é possível…gradualmente, ‘sintonizar’ o modo pelo qual esses átomos são observados.    Usando este ajuste, ficou também demonstrada uma ‘classicalidade emergente‘, propriedade na qual… – os “efeitos quânticos” desaparecem…e os átomos passam a            se comportar de um modo muito mais intuitivo; como previsto pela “física clássica”.

Embora tradicionalmente associados com dimensões – e o tamanho das                              partículas envolvidas, alguns indícios apontam que a gravidade possa                              explicar a fronteira clássico-quântica – ou ainda… que a física quântica                                emerge na fronteira entre ‘múltiplos universos‘. (texto base – nov/2015)    ********************************************************************

A Física Quântica pode ser ainda mais estranha do que parece (maio/2018)    “Novo experimento sugere uma… – “mecânica oculta”… de superposições quânticas”.

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Um fóton (amarelo à esquerda) é enviado simultaneamente numa superposição através de 3 caixas (A, B e C), para verificar se é encontrado em alguma delas. Se for, o fóton é refletido, informando indiretamente onde está. O fóton é colocado numa superposição, que faz com que sua localização dentro das caixas varie com o tempo. No instante 1 ele está em A e C; em 2…C; e em 3, nas caixas B e C. O teste então demonstra que a superposição do fóton original não está em todos lugares ao mesmo tempo. [Amanda Montañez]

O que realmente acontece em uma superposição é questão central na mecânica quântica … – mas ainda, ninguém sabe a resposta. – Qual a circunstância peculiar … pela qual partículas parecem estar em 2, ou mais lugares…ou “estados”… – ao mesmo tempo?…

Mas agora, em recente artigo, uma equipe de pesquisadores em Israel,  e Japão … propôs um experimento que pode enfim…nos dizer alguma coisa sobre a natureza do ‘enigma’. Tal experimento… que segundo os pesquisadores…pode ser realizado em alguns meses — permitiria aos cientistas uma evidência, de onde uma única partícula de luz (fóton) pode ser ‘efetivamente’ localizada, quando em uma…”superposição“.  E…os pesquisadores preveem que tal resposta…quando chegar, será ainda mais…chocante, do que a trivial 2 lugares ao mesmo tempo.

O exemplo clássico de uma superposição, envolve disparar fótons sobre 2 fendas em um anteparo. – Nesse caso… caracterizando um aspecto fundamental da mecânica quântica, micropartículas podem se comportar como ondas, de modo que as que passam por uma fenda…“interferem”…com as que passam pela outra…fazendo com que suas ondulações aumentem – ou se anulem…para criar um padrão característico – na tela de um detetor.  O mais estranho é que essa interferência ocorre mesmo quando apenas uma partícula é disparada de cada vez. Ou seja, a partícula parece…de alguma forma, passar por ambas    as fendas, simultaneamente, interferindo em si mesma…numa “superposição”…E pode ficar ainda mais estranho – pois o “ato de medir” por qual fenda tal partícula atravessa, invariavelmente indicará que ela passa apenas por uma – mas então, a interferência de onda desaparece. Nesse caso…o próprio ato de medir parece “colapsar” a superposição.  Sobre isso…diz o físico Avshalom Elitzur…do ‘Instituto Israelita de Pesquisa Avançada’:

“Numa superposição…sabemos que algo suspeito está acontecendo, mas não temos ‘permissão’ para detectá-lo…E é isso que torna a mecânica quântica…tão diabólica“.

Há tempos, pesquisadores se encontram nesse aparente paradoxo. Eles não podem dizer exatamente o que é uma superposição, sem olhar para ela; mas se tentam observá-la, ela desaparece… – Uma solução em potencial … desenvolvida pelo físico Yakir Aharonov, da Chapman University, Califórnia – EUA…e colaboradores – sugere uma forma de deduzir algo sobre partículas quânticas, mesmo antes de medi-las. – Essa abordagem é chamada  ‘two-state-vector formalism(TSVF), e postula que eventos quânticos são de certo modo, determinados por “estados quânticos”, não apenas no passado mas também no futuro. Dessa perspectivacausas aparentariam se propagar em direção ao passado, ocorrendo após seus efeitos. Porém, nesse caso, em vez de simplesmente calcularmos o ponto final    da trajetória de uma partícula, poder-se-ia pela TSVF, conhecer o histórico do ocorrido num…”sistema quântico”…escolhendo um local específico – ao selecionar seu resultado.

É a chamada ‘pós-seleção‘, fornecendo mais informações do que qualquer                          observação clássica jamais conseguiria; pois o estado da partículaa todo                          instante, até a mediçãoé avaliado retrospectivamente, em todo histórico.

A “estranheza” ocorre – porque parece que o pesquisador – simplesmente optando por procurar um resultado específico – faz com que esse resultado aconteça. Mas isso é um pouco como concluir que…ao ligarmos a televisão no horário de um programa favorito, nossa ação fará com que o programa seja transmitido naquele exato momento. E sobre isso, David Wallace, filósofo da ciência na USC (University of Southern California) dos EUA, estudioso do campo da física…de “interpretações da mecânica quântica”, explica:

“É geralmente aceito que, teoricamente, a matemática da TSVF equivale à da                ‘mecânica quântica padrão’…mas, ela conduz a certas conclusões incomuns”.

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Tomemos…como exemplo – a versão do experimento da ‘dupla fenda‘ idealizado por Aharonov e seu colega Lev Vaidman em 2003, interpretado pelo ‘TSVF’. Eles descreveram (mas não construíram) um sistema ótico…onde um único fóton age como um…“obturador” – fechando uma ‘fenda’ ao fazer com que um outro fóton “virtual” dela se aproxime…para depois  ser refletido de volta…do jeito que veio… Aplicando o método ‘pós-seleção’ às medições    do fóton virtual, Aharonov e Vaidman mostraram ser possível distinguir o ‘fóton’ numa superposição que fechava ambas (ou na verdade, muitas) fendas simultaneamente. Em síntese, esse…experimento mental…teoricamente, permitiria garantir que o fóton está “aqui” e “” (do obturador) ao mesmo tempo. Embora tal situação pareça paradoxal, a partir de nossa experiência cotidiana, é aspecto bem estudado das propriedades…“não-locais” das partículas quânticas, onde toda definição de “localidade espacial”…é refeita.

Em 2016, os físicos Ryo Okamoto e Shigeki Takeuchi – da Universidade de Kyoto, Japão, verificaram experimentalmente as previsões de Aharonov e Vaidman usando um circuito de luz onde o “fóton obturador” é criado usando um “roteador quântico”, dispositivo que permite que um fóton controle o caminho – seguido por outro – como comentou o físico Eliahu Cohen – da Universidade de Ottawa, Canadá…“Este foi um experimento pioneiro que permitiu inferir a posição simultânea de uma partícula…em dois lugares diferentes”.

E agora, Elitzur e Cohen se uniram a Okamoto e Takeuchi para criar uma experiência ainda mais surpreendente. Eles acreditam que assim terão…com certeza, algo a dizer,    sobre a localização de uma ‘partícula superposta’, numa série de diferentes pontos no tempo, antes de ser efetivada qualquer medida real. – Desta vez, a rota do fóton seria dividida por semi-espelhos…em 3. – Ao longo de cada um desses caminhos … o fóton original pode interagir com um ‘fóton obturador’…em superposição… Tais interações podem ser consideradas como acontecendo dentro das caixas… A, B e C … cada uma, situada ao longo de uma das 3 rotas possíveis do fóton. – Vendo a ‘auto-interferência’      no fóton original… podemos retrospectivamente concluir com certeza que a partícula        do obturador estava refletida…numa determinada caixa, em um momento específico.

O experimento é projetado para que o fóton original somente apresente interferência,      ao interagir com o ‘fóton obturador’…numa sequência particular de lugares e tempos;      ou seja…se o fóton obturador estava nas caixas A e C – em algum momento (1), então, num tempo posterior (2) estava apenas em C, e num tempo ainda mais tarde (3)…em          B e C. Assim, a interferência no fóton original seria um sinal definitivo de que o fóton obturador fez essa sequência surreal de intempestivos surgimentos, entre as caixas, a diferentes momentos…uma ideia que Elitzur, Cohen e Aharonov haviam proposto no      ano passado (2017)…para uma única partícula espalhada por 3 caixas. E, ainda sobre      esse assunto, o físico Ken Wharton, da “San Jose State University” também comenta:

“Eu gosto do modo como este artigo trata a questão de como as coisas acontecem em termos de ‘histórias completas’, em vez de instantâneos. Falar sobre… ‘estados’… é um antigo…’lugar comum’… – ao passo que histórias completas são geralmente muito mais ricas e interessantes.”

Essa riqueza…como Elitzur e seus colegas argumentam, é o que o modelo TSVF tem a oferecer. – O aparente desaparecimento de partículas em um tempo e lugar…e seu reaparecimento noutros tempos e lugares sugere uma nova…e extraordinária ‘visão’ dos processos subjacentes, envolvidos na ‘não-localidade‘ das partículas quânticas.

Pelas lentes da ‘TSVF’… diz Elitzur – essa permanente existência oscilante pode ser entendida como uma série de eventos em que…a presença de uma partícula em um lugar é de alguma forma “cancelada”, por sua própria ‘contraparte’ no mesmo local.

Ele compara isso…com a noção introduzida pelo físico Paul Dirac, que na década de 1920, argumentou que as partículas possuem suas antipartículas, e…se reunidas…a partícula e sua antipartícula se aniquilariam uma à outra. Essa imagem, a princípio, parecia apenas uma imagem de retórica, mas logo levou à descoberta da ‘antimatéria‘. Nesse novo rumo teórico, o desaparecimento de partículas quânticas não é ‘aniquilação’, mas algo análogo, assim como Elitzur postula… ”tais supostas contrapartes, devem possuir energia e massa negativas, permitindo que sejam canceladas suas partes originais”. Assim, muito embora    a visão tradicional da superposição, como…“2 lugares ao mesmo tempo” pareça bastante estranha…é possível que a superposição seja uma coleção de estados ainda mais bizarros.    A mecânica quântica apenas informa sobre sua ‘média’. – Nesse sentido…a “pós-seleção” então permitiria isolar e inspecionar com maior resolução, apenas alguns desses estados.

Tal interpretação do comportamento quântico seria…revolucionária…porque implicaria um até aqui inesperado zoológico de estados reais (muito estranhos) subjacentes a contra-intuitivos fenômenos quânticos. A realização do experimento exigirá um…”ajuste fino” no desempenho de seus…”roteadores quânticos” – cujo sistema espera-se pronto para rodar, dentro de 3 a 5 meses. Por enquanto, outros cientistas já comentam que…“O experimento está fadado a funcionar”…diz Wharton…“mas não convencerá ninguém de nada, já que os resultados são previstos pela mecânica quântica padrão”… Ou seja…não haveria qualquer razão convincente para interpretar o resultado em termos do TSVF; ao invés de uma das muitas outras maneiras, pelas quais o comportamento quântico costuma ser interpretado.

Elitzur concorda que o experimento poderia ser concebido usando a visão convencional da mecânica quântica que prevaleceu décadas atrás – mas, nunca foi… “E essa não é uma boa indicação de coerência do TSVF?”, pergunta ele. E se alguém acredita poder formular uma imagem diferente do que…”realmente acontece“…neste experimento – usando a mecânica quântica padrão…então ele diz: “Bem, deixe-os tentar!”…Philip Ball (‘scientific-american’

Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
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Uma resposta para Segredos d’Arte d’Embaralhar Dados

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