Segredos d’Arte d’Embaralhar Dados

“A manutenção do movimento constitutivo de um corpo (sua inércia)…transforma-se na condição fundamental para conservação de sua própria identidade” … (Thomas Hobbes)

1) A arte do entrelaçamento (Jun/2009)

O emaranhamento quântico é visto por cientistas… – como uma ‘base’ para futuras tecnologias… – como computação quântica, criptografia e teletransporte quânticos.

Fenômeno intrínseco da mecânica quântica, o ‘emaranhamento’ permite… – a 2 ou mais partículas…compartilhar suas propriedades, mesmo sem “comunicação física” entre elas.

Em 2007… um estudo coordenado por Luiz Davidovich… — da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) publicado na Science mostrou que o emaranhamento quântico pode desaparecer repentinamente…dissolvendo o “elo quântico” entre partículas…e comprometendo futuras aplicações (computacionais).

Investigando as condições precisas em que — para 2 feixes de laser — ocorre a chamada morte súbita do emaranhamento, cientistas da USP (“Universidade de São Paulo”) demonstraram que é possível gerar feixes sujeitos ao desentrelaçamento, bem como “estados emaranhados estáveis”… isto é… – que não estão sujeitos ‘morte súbita‘.

Tomografia quântica da morte súbita                                                                                 A influência do ambiente sobre uma das partículas de um “sistema emaranhado”, foi demonstrada por cientistas brasileiros, num experimento com fótons…utilizando um método conhecido como “tomografia quântica”.

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 e fascinantes do mundo quântico, o assim chamado emaranhamento, ou entrelaçamento de partículas – como átomos, elétrons, ou partículas elementares de luz… – os fótons.

Em 27 de abril de 2007 os pesquisadores brasileiros emplacaram outro importante paper sobre esse complexo campo de estudo da física. – Nas páginas do ‘Science’…os brasileiros mostraram como o ‘emaranhamento‘ – propriedade essencial no desenvolvimento de um computador quântico“… pode desaparecer repentinamente… – sofrendo uma espécie de “morte súbita.

Agora… – a mesma equipe de cientistas deu nova contribuição de                   peso ao tema, desta vez formulando e demonstrando uma lei, que   descreve… 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 forma 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 da reconstrução do estado final do sistema emaranhado — tarefa difícil de ser obtida, e com resultados às vezes imprecisos… Conforme explica em detalhes o físico Luiz Davidovich:

“Até agora existia apenas 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 — um sistema cujo estado inicial fosse totalmente conhecido.   A equação é uma generalização da anterior … e serve também a situações mais próximas do real, quando há incerteza sobre o estado inicial do sistema.

Sistema óptico: ação do ambiente no emaranhamento  ©UFRJ

Sistema óptico: ação do ambiente no emaranhamento ©UFRJ

Embaralhando dados quânticos

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 desconcertante conceito do universo quântico fica mais fácil de ser entendido. Por apresentarem essa forte correlação, quando jogados — os dados dão sempre o mesmo resultado…a soma de seus valores é por exemplo, 10.

– O problema é que não é 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, descobre-se automaticamente também o outro.

Equação do desentrelaçamento ambiental

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 o ambiente externo ao sistema… — Os pesquisadores perceberam que — ao ser produzida interação entre o “momentum” de um dos fótons e a polarização – ocorria uma redução no grau de emaranhamento do sistema,   e concluíram que sua equação podia dar conta dessa perda de coerência. Para Davidovich:

Demos um pequeno passo na compreen­são da dinâmica do emaranhamento – para a construção de sistemas quânticos                     mais robustos e estáveis”.  

2) Novas luzes sobre a “morte súbita” (out/2010)

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:

“No contexto de ‘comunicações óticas‘ – ‘perdas‘ costumam ser o pior inimigo. Mostramos nesse estudo que estados emaranhados robustos não passíveis de morte súbita, podem ser gerados…bem como estados sujeitos   ao ‘desentrelaçamento’…Mesmo na situação mais simples possível, com o uso de apenas 2 feixes de laser… o ‘desentrelaçamento total’ pode ocorrer, em caso de perdas parciais”.

A 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, os cientistas geraram pela primeira vez um emaranhamento quântico de três feixes de luz de cores diferentes… e, comentou Martinelli…  – Conseguimos gerar o emaranhamento entre 3 feixes de luz operando em frequências diferentes. Esse feito foi importante, mas já previsto. – A surpresa foi observar que o emaranhamento, naquele sistema, poderia 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 com o passar 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 uso das propriedades quânticas no processamento de informação, entre elas o uso de variáveis contínuas do campo eletromagnético”. 

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 explica 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…para o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, que possam controlar a luz… — a convertendo em ‘sinais elétricos’…  —  ou, vice-versa… 

Com esse trabalho, estendemos nosso tratamento aos… — ‘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 e aplicada a ser feita antes de um possível PC movido a átomos ou fótons possa se materializar.

3) Recuperando informações quântico-ambientais (dez/2012)

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 essas propriedades estranhas das partículas, como o poder de se estar em mais de um lugar do espaço ao mesmo tempo…porque estas partículas interagem com o ambiente ao redor. O meio no qual as partículas se encontram imersas…exatamente por ser muito complexo, absorve essas características quânticas…e as dissipa — de modo a não poderem mais ser recuperadas.

Perdidas essas raras propriedades, os componentes mais elementares da matéria passam a se comportar como qualquer objeto… visível a olho nu… 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, e talvez possa até ser recuperada…

“É como se a interação da partícula com o entorno deixasse uma impressão digital no ambiente”… assim explicou Luiz Davidovich que, ao lado de Paulo Ribeiro… e Stephen Walborn coordenou a condução dos testes.

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.

Decoerência 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. Desse modo, 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.

Contudo, até hoje não se encontraram furos na teoria que pudessem desfazer esse aparente paradoxo…‘Por que não se observam ‘propriedades quânticas’ em objetos macroscópicos?’… – Sobre isso…comenta George Matsas físico teórico da Unesp: “Há consenso entre os físicos, de que o mundo é quântico; apenas não se sabe como recuperar o “clássico”, partindo de uma descrição puramente quântica.” (Ao menos não de modo que a solução… aos olhos de um leigo… — não pareça “mágica”…)

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 somente 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’(perda de coerência; propriedade das ondas, como as que se propagam quando uma pedra é atirada na água.)

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.

A interferência quântica

interferência quântica

Uma forma de fazer o experimento é acender uma luz monocromática diante de 2 placas. Na 1ª, mais próxima da lâmpada, são feitas 2 fendas paralelas que permitem parte da luz passar e iluminar a 2ª placa, um pouco mais distante.

Por ter ‘natureza ondulatória’, assim como as ondas da superfície de um lago a luz ao atravessar o 1º anteparo se recombina como se em cada fenda houvesse uma fonte de luz. Quando a crista de uma onda encontra outra, elas se somam, gerando uma crista         mais alta… o mesmo acontece quando dois vales se encontram. Já quando uma crista coincide com um vale, há um efeito destrutivo, e eles se anulam.

A combinação de cristas e vales produz faixas iluminadas e escuras que se intercalam no segundo anteparo – é o que os físicos chamam de padrão, ou ‘franja de interferência‘… E, da definição de Matsas: 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 igual ao da luz.

No caso da ‘mecânica quântica’… – isso só se explica… – se cada átomo passar simultaneamente pelas 2 fendas (uma 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…Mas, quando esse tipo de medição é feita…a franja de interferência desaparece do 2º anteparo, e assim…perde-se a coerência.

Essa 2ª medição…a abertura da caixa para espiar o ‘gato de Schrödinger’   – é considerada como uma…”interação do sistema com o ambiente“.

Antes isolado, o sistema mantinha um comportamento quântico. – Nesse estado, o fóton, ou o elétron…(por exemplo)… podiam passar pelas 2 fendas ao mesmo tempo. Desfeita a coerência, essa capacidade some, e as partículas passam a exibir comportamento clássico (atravessam apenas, uma das duas). — Nessa transição para o mundo clássico, perde-se ‘informação quântica‘… como a que permitia a partícula estar em 2 lugares ao mesmo tempo (ou… o gato… morto e vivo).

Como diz Matsas…Não há como reproduzir o mundo clássico, sem perder informação do quântico — Já em um artigo publicado em 2002 na “Los Alamos Science“… — revista de divulgação … dedicada a temas da fronteira da ciência… — Wojciech Zurek assim reportou:

“Uma forma de compreender 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 as 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‘.

Complicado?… Muitos físicos também acham. O próprio Einstein não se sentia confortável com muitas das interpretações que a mecânica quântica oferecia sobre o mundo. Certa vez, caminhando pelos jardins da ‘Universidade Princeton, com seu biógrafo, Abraham Pais… Einstein teria comentado:“Você acha mesmo que a lua só está lá ao olhamos para ela?”…

Na fronteira dos 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, o renomado físico Max Planck chegou a uma conclusão… que levaria ao desenvolvimento de toda a mecânica quântica. Planck verificou que, na natureza a energia era trocada entre átomos e radiação em quantidades discretas… (pacotes)       que ele chamou de quanta – plural de quantum.

No ‘mundo macroscópico’, fótonscomo os vindos das estrelas, estão colidindo o tempo todo com objetos…É como se fizessem medições que destroem a informação quântica, e nos permitem ver o mundo como clássico”…explica Davidovich… que há quase 3 décadas investiga fenômenos complexos da mecânica quântica — dentre eles… a ‘decoerência‘… — que determina a passagem do mundo quântico ao clássico.

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.

Na Áustria, anos atrás… 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 ‘comportamento quântico (como onda e partícula) no teste da fenda dupla. Aliás, o grupo anunciou que planeja repetir o teste com vírus bem maiores.

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.’

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. https://truesingularity.wordpress.com/2012/10/10/o-nobel-de-fisica-2012/

Uma cavidade ótica… 2 espelhos frente-a-frente aprisionam um fóton (em vermelho) que é estudado usando um íon (em verde) que atravessa a cavidade.
‘O Nobel de Física 2012’

Em 1986, quando foi para o laboratório do físico Serge Haroche…na ‘École Normale Supériere’ de Paris, Davidovich iniciou a investigar essa questão… Com a equipe da França, ele e o colega Nicim Zagury … da UFRJ, começaram a planejar um ‘sistema’ que permitisse simular a medição – que o ambiente faz sobre sistemas quânticos.

Dez anos mais tarde, Davidovich publicou, com seus colegas franceses — um artigo na ‘Physical Review’ …  –  detalhando como o sistema poderia ser construído, de modo a medir a informação do sistema quântico…bem como…acompanhar sua passagem ao clássico, em função do “efeito ambiente”. 

A ideia era aprisionar fótons de uma luz com frequência muito pouco energética (microondas) que se encontram 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.

Quando passa 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… – ou “tempo de decoerência é inversamente proporcional ao nº de fótons aprisionados na cavidade’; formando uma série de estudos que conferiu a Haroche o “Nobel de Física” de 2012 (honraria dividida com D. Wineland).

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 para a computação e criptografia quânticas, denominada entrelaçamento…(ou emaranhamento)…Um ‘elo quântico‘ mantido entre si…por partículas (ou conjunto de partículas) — mesmo quando distantes umas das outras… cuja conexão, tão intensa como frágil, é tal que, modificações sofridas por umas das partículas instantaneamente refletem-se nas outras.

impressões quânticas

Usando um feixe de laser que incide sobre uma série de cristais e filtros, o grupo da UFRJ conseguiu observar o que ocorre com o entrelaçamento, num ambiente bem simples – extremamente mais simples do que o ambiente em que vivemos…sobre o         qual tinham completo controle…e podiam realizar medições para saber quanto de informação foi perdida pela decoerência.

“Talvez esse seja o único sistema físico em que se consegue medir completamente o estado do ambiente” – explica 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 detector.

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 no rumo que percorreria em seguida (direita ou esquerda). É como se os fótons tivessem interagido com o ambiente externo ao sistema transmitindo para ele parte da 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 entrelaçamento…em que os 2           fótons se apresentavam emaranhados com o ambiente…Segundo os pesquisadores,           ao se conhecer a parte da informação perdida para o ambiente, talvez seja possível recuperá-la…

Nossa ideia é tentar entender o ‘emaranhamento’ como uma grandeza física qualquer – como energia ou velocidade… a fim de estabelecermos suas leis de evolução. Ainda não fizemos isso, mas vimos que é possível

disse Souto Ribeiro, que coordenou, com o colega 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 num 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 os ambientes. 

Davidovich considera que eles apenas começaram a trilhar um novo caminho…“O experimento que fizemos…nos dá apenas 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”. 

1) 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. 

2) 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.

3) 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 USPcomposto 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)  ###################(texto complementar)###########################

Falhas da Teoria Quântica na Dedução da “Realidade” 18/04/2007 (1ªversão) (Atualização de conhecido experimento, descobre que “ação fantasmagórica à distância” caminha passo a passo com a irrealidade…) 

A realidade acaba de receber um duro golpe!…Um novo experimento, tentando encontrar qual dos dois ingredientes fundamentais (localidade & realidade) é mais improvável para a teoria quântica, apenas descobre que ambos caminham lado a lado, de mãos dadas; pois permitir ‘interações imediatas‘ também acaba com toda e qualquer noção de realidade.

Cientistas atualizaram uma clássica experiência de 1982, na qual se medem polarizações (orientações espaciais) de pares idênticos de fótons… — Pela teoria quântica… fótons, ou quaisquer subpartículas — para certas propriedades … tais como posição, ou polarização, não possuem valores definidos… – ou melhor…adquirem aleatoriamente, uma específica propriedade conjunta quando medidos experimentalmente. Para o físico M. Aspelmeyer: ”A questão de fato, sempre foi saber se podemos ir além dessa descrição probabilística”.

Markus Aspelmeyer, a quantum physicist at the University of Vienna, is developing three experiments aimed at probing the interface between quantum mechanics and gravity.

Markus Aspelmeyer, físico da Universidade de Viena – desenvolvendo experiências destinadas a sondar a interface entre a mecânica quântica e a gravidade.

Talvez Einstein estivesse certo – quando disse “Deus não joga dados” … e, o fóton possua um estado fundamental que é de alguma forma…inacessível à observação.   E pesquisas recentes demonstram que é possível testar uma questão semelhante usando-se fótons emaranhados, ou seja, instantaneamente conectados, ao longo de qualquer distância; de tal forma que,   a propriedade medida em um, depende   da do outro e vice-versa; como 1 par de dados lançados … que interconectados, apresentam…”sempre”… a mesma face.

No experimento de 1982, se os fótons apareciam em ‘duplicidade’, mais do que uma certa fração de tempo – significava a violação de algo chamado “realismo local” – ou seja – a ideia que “influências entre partículas“…são transmitidas – como “ondas“… – através do espaçotempo (‘localidade’)… – e que estas possuem propriedades em comum (‘realismo’). Mas então, qual das hipóteses deve estar errada?…  – ou ainda, como sugere Aspelmeyer: Poderia ser possível… – preservar o ‘realismo’ – variando sua condição de localidade”.

Desse modo, Aspelmeyer – em colaboração com Anton Zeilinger – e, colegas…realizaram novamente o experimento (real, não local), no qual, influências viajam instantaneamente; mas, partículas, possuem propriedades reais…Eles fracionaram ‘fótons de laser’ em pares emaranhados – e… enviaram partículas duplicadas de luz ao longo de caminhos distintos.

Então, mediram as polarizações dos fótons por diferentes ângulos para ver com qual frequência eles apareciam duplicados – ou seja, suas correlações.

Para Aspelmeyer, o pressentimento do grupo era que… – “se você admite interações não-locais… e nada acontece… – então, pode reescrever a física quântica… – sem perder o controle da realidade”.

Mas…assim como no antigo experimento – eles, mais uma vez, detetaram mais correlações…que realismo não-local permitido. Noutras palavras, “a ‘não-localidade’ não é suficiente para salvar o realismo da teoria quântica – você tem de pagar um preço”. E, nesse caso… ‘quânticos heréticos’, como Einstein… teriam que… ”engolir a aranha (‘irrealidade’) p/ pegar a mosca (não-localidade)”.

Há ainda outros modelos de realismo não-local que a experiência não revela, incluindo alguns que são, a princípio, indistinguíveis da teoria quântica…como diz Alain Aspect,    do Instituto de Ótica em Palaiseau, França, líder do experimento de 1982, em posterior comentário… – “A conclusão que se pode tirar…é mais questão de gosto do que lógica; mas, prefiro compartilhar a visão de que tais experimentos nos permitem olhar mais fundo… – em direção aos ‘mistérios ocultos’ da mecânica quântica”  (texto original) *********************************************************************************

Experimento põe em xeque o realismo da realidade  (2ª versão)                        Teste realizado com luz sugere que a ideia das partículas terem propriedades                  bem definidas… – mesmo antes de serem observadas – pode não ser verdade.’

FOR REAL? A new experiment on photons sharing the quantum link of entanglement finds that quantum naysayers have to give up two cherished principles of reality, not one or the other. Image: © ISTOCKPHOTO.COM/DUNCAN WALKER

No cotidiano – geralmente, esperamos que eventos próximos nos afetem antes que eventos distantes, e que os objetos tenham propriedades bem definidas: se seu carro é verde – você espera que ele continue assim – mesmo…quando ninguém estiver olhando. Cientistas chamam essas duas pressuposições de… “localidade” e “realismo” … que podem parecer óbvias… – mas – em estruturas básicas da matéria, ao nível quântico… – nem sempre são verdadeiras.

Experimentos realizados nas últimas décadas já haviam levado muitos cientistas a abrir mão da localidade. Agora, uma nova experiência indica que o ‘realismo‘ também pode estar em maus lençóis…Conforme artigo da Nature… o “Realismo” é definido quando… “todo resultado de uma observação depende de propriedades preexistentes dos objetos, que são independentes da observação”… – Então, se o realismo precisa ser revisto, isso significa que seu carro não é verde, quando ninguém está olhando?… — A essa questão, responde um dos autores do trabalho, Markus Aspelmeyer

“Não acredito que a ‘consciência’ da pessoa que realiza a observação exerça alguma ‘influência’. — Para se realizar a observação, basta haver interação com um sistema físico, complexo o bastante para reter informação de modo irreversível”. Um exemplo, é o ‘clique’ de um detetor de fótons, respondendo pela geração irreversível de milhões de elétrons.

O experimento realizado pela equipe de Anton Zeilinger e Markus Aspelmeyer envolveu a análise de uma propriedade de pares de fótons, ou partículas de luz, chamada ‘polarização‘. – A partir de um trabalho teórico realizado por Anthony Leggett, ganhador do Nobel de Física de 2003…a pesquisa deduziu uma série de resultados que surgiriam… se algumas teorias que defendem o realismo – mesmo               abrindo mão da localidade, fossem válidas. Por experimentos, constataram então,             que os resultados esperados não se concretizaram… Pelas considerações finais do               artigo, isso sugere que, qualquer futura extensão da teoria quântica que esteja em concordância com os experimentos – terá que abandonar algumas características               das descrições realistas – e uma incorporação da “não-localidade” poderá levar a resultados ainda mais bizarros… – tais como o colapso da “lógica aristotélica“, na                 ausência de ação (causa) sobre o efeito.

Questão de gosto?

Em comentário ao artigo…publicado nesta mesma edição da Nature… – o físico Alain Aspect argumenta que … — a despeito do experimento, a opção entre não-localidade   e não-realismo é uma ‘questão de gosto’ já que o resultado… – “implica apenas, que o realismo e um certo tipo de não-localidade são incompatíveis… (havendo outros tipos de modelos não-locais)”.

No entanto, segundo Aspelmeyer, Leggett demonstrou que a pressuposição conjunta de ‘não-localidade’, com uma noção específica de ‘realismo físico’ – de que fótons possuem polarização (independente das observações) e, obedecem à Lei de Malus…é que está em conflito com a teoria quântica. – Assim, segundo ele…“Nosso experimento demonstra a validade das previsões quânticas. A conclusão correta é que, pelo menos uma delas está errada”.

Mesmo acreditando que, os resultados que enfraquecem o realismo poderão se aplicar     no ‘campo macroscópico’… – ao menos na medida em que formos capazes de observar fenômenos quânticos em sistemas macroscópicos, Aspelmeyer reconhece que essa ocorrência seria no mínimo intrigante: De que modo uma propriedade macroscópica poderia não obedecer ao realismo?… – Esse feito demonstraria a estranheza da teoria quântica… – em sua forma mais radical”. ##  ‘texto base’ (Carlos Orsi – 18/04/2007)    ********************************************************************************

Físicos observam interface quântico/gravitacional 

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… – diretor do ‘Centro de Sistemas Quânticos’ da Universidade de Queensland, Austrália… – “O problema é conseguir o isolamento…certificando-se que as perturbações sejam apenas gravitacionais”. Contudo, hoje, as perspectivas melhoraram:

optomechanical-oscillator

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 alguns anos os melhores tipos de aparelho para tal experimento, conseguiam oscilar 100 mil vezes. Mas…ainda era insuficiente, para surgirem “efeitos gravitacionais“.

Atualmente os osciladores conseguem variar 1 milhão de vezes, o que pode estar perto do necessário, para testar a decoerência devido à gravidade. Para isso… as “perturbações ambientais” sobre o oscilador precisam ser reduzidas… — até que este se torne sensível ao impacto de um único fóton.

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 dois picos de interferência, se movendo em direção a um detector. Cada nanosfera poderá ser detectada em apenas um único local, mas depois de múltiplas repetições do experimento, as franjas de interferência aparecerão em sua distribuição local… – Se a gravidade destruir as superposiçõesas franjas não aparecerão para as nanoesferas.

nanosphere
‘Focus: How to Stop a Nanosphere’

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.

Enquanto você pode se livrar de moléculas de ar, e radiação eletromagnética, você não pode filtrar a gravidade. – Para mim, esta é como uma inevitável espécie de ambiente fundamental de fundo … comentou Miles Blencowe, físico da ‘Dartmouth College’/EUA. 

Decoerência gravitacional

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.

Conforme o ‘modelo de Penrose‘, uma discreta ‘discrepância’ na curvatura do espaçotempo, pode acumular-se numa superposição, e…eventualmente… — destruí-la.

Quanto mais massivo… – ou energético o objeto envolvido… – e assim … maior seu campo gravitacional – mais rapidamente a ‘decoerência gravitacional‘ aconteceria…Até que a discrepância do espaçotempo por fim, resultasse num nível irredutível de ruído na posição e momento das partículas, em consonância com o ‘princípio da incerteza’… Como explicou  Milburn:

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

Inspirado pela possibilidade de testes experimentais… Milburn… – e outros teóricos, estão expandindo as ideias básicas de Diósi e Penrose. Em um artigo na Physical Review Letters, 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. — E ele explicou:  “Quando falamos em energia de Planck… pensamos em ‘gravidade quântica‘. Então, pode ser que esse cálculo esteja lidando com elementos desta desconhecida teoria. E, se já tivéssemos 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…pela ‘soma integral‘ dos 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  (23/06/2015)   As micropartículas agitam-se continuamente, mesmo quando formam objetos maiores. Esse movimento também é afetado pela dilatação do tempo – sendo retardado ao nível do chão… e acelerado, em altitudes mais elevadas.

Segundo a teoria de Einstein, a 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 é justamente 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 tempo…fruto da gravidade terrestre…destrói todo comportamento quântico dessas partículas… – Estando corretos – então…muitos experimentos quânticos nunca poderão ser feitos com    a devida precisão na superfície terrestre – devendo assim, ser levados ao espaço,  para garantir a exatidão nos 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’  ***********************************************************************************

* Informação em dobro *                                                                                             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 francês 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 causada no setor de áudio pela adoção   de aparelhos capazes de reproduzir o ‘som estéreo’… – Uma ‘estação FM‘ por exemplo, transmite músicas registradas em 2 canais…independentes e simultâneos, operando em frequências muito próximas, mas ligeiramente distintas… Dessa forma, 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 esquerdo.

Ocorre algo semelhante num feixe de laser… com fótons entrelaçados…em um tipo de “correlação quântica” … que pode armazenar, processar e transmitir informação.

‘Experimentos’ realizados na USP produziram um sistema com 3 feixes entrelaçados de diferentes cores; portanto…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, situados, 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 — quando se resgata a informação quântica num sistema, com a técnica tradicional da ‘deteção homódina’.

Ou seja, enquanto no experimento feito com 3 feixes de laser…o método convencional registrava apenas 3 canais de informação quântica no sistema…a medida assistida por cavidade flagrava 6 (um par de campos de dados por feixe). Janeiro/2014 (texto base)

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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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