Comportamentos quânticos estranhos também podem existir em grandes escalas

A mecânica quântica trouxe seu quinhão de revelações inquietantes, desde a ideia de que a realidade objetiva é uma ilusão até a compreensão de que os objetos podem estar em dois estados ao mesmo tempo (mortos e vivos, por exemplo). Esse comportamento quântico estranho não termina quando objetos pequenos se tornam grandes - é que nossos sentidos e nossos instrumentos não são capazes de detectá-lo. Agora, ao tocar em dois conjuntos de minúsculos tambores, duas equipes de físicos trouxeram a escala em que podemos observar os efeitos quânticos para o reino macroscópico. 

As batidas de dois minúsculos tambores de alumínio foram emaranhados para que os cientistas pudessem contornar o princípio da incerteza Crédito da imagem: J. Teufel / NIST

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As descobertas demonstram um efeito quântico bizarro chamado "emaranhamento" em uma escala muito maior do que vista anteriormente, bem como descrevem uma maneira de usar esse efeito, quando as partículas permanecem conectadas umas às outras mesmo separadas por grandes distâncias, para evitar a incômoda incerteza quântica. Esse conhecimento poderia ser usado para sondar a gravidade quântica e projetar computadores quânticos com poderes calculativos muito além dos dispositivos clássicos, de acordo com pesquisadores.

Os físicos há muito se perguntam em que escala os estranhos fenômenos quânticos dão lugar ao nosso mundo macroscópico mais familiar e previsível, principalmente porque não existe uma regra rígida e rápida que diga que tais fenômenos deveriam acontecer, eles apenas se tornam cada vez menos observáveis conforme as coisas aumentam.

Ou pelo menos costumavam. Novos experimentos de duas equipes separadas de pesquisadores deram o salto da observação do emaranhamento quântico entre átomos individuais para observá-lo entre membranas de alumínio de tamanho mícron - ou "tambores" - feitos de cerca de 1 trilhão de átomos cada. 

Em sua forma mais simples, o emaranhamento descreve a ideia de que duas partículas podem ter uma conexão intrínseca que persiste independentemente da distância entre elas. As partículas são etereamente acopladas: meça algo sobre uma partícula, como sua posição, e você também coletará informações sobre a posição de seu parceiro emaranhado; faça uma mudança em uma partícula e suas ações irão teletransportar uma mudança correspondente para a outra, tudo em velocidades maiores que a velocidade da luz.

Os cientistas do primeiro experimento, realizado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST) em Boulder, Colorado, colocaram tambores minúsculos, cada um com cerca de 10 micrômetros de comprimento, em um chip de cristal, antes de super-resfriar até quase zero absoluto. Com o tambor resfriado, as chances de interagirem com algo fora do sistema foram drasticamente reduzidas, permitindo que os cientistas induzissem o tambor a um estado emaranhado, vibrando em sincronia conforme eram atingidos por pulsos regulares de microondas.

"Se você analisar os dados de posição e momento para os dois tambores de forma independente, cada um deles simplesmente parece quente", disse o coautor John Teufel, físico do NIST, em um comunicado, referindo-se ao fato de que as partículas vibram mais quanto mais quentes ficam. "Mas olhando para elas juntas, podemos ver que o que parece ser o movimento aleatório de um tambor está altamente correlacionado com o outro, de uma forma que só é possível por meio do emaranhamento quântico."

Os pesquisadores mediram a extensão do emaranhamento dos tambores observando como combinavam suas amplitudes, suas distâncias máximas de suas posições de repouso, conforme eles oscilavam para cima e para baixo aproximadamente à altura de um único próton. Os pesquisadores viram que os tambores vibravam de forma altamente sincronizada, quando um tambor tinha uma amplitude alta, o outro tinha uma amplitude baixa, e suas velocidades eram valores exatamente opostos.

"Se eles não têm correlações e são ambos perfeitamente frios, você só pode adivinhar a posição média do outro tambor dentro de uma incerteza de meio quantum de movimento", disse Teufal, referindo-se aos pedaços discretos ou "quanta" que objetos quânticos como o tambor vibrará. "Quando eles estão emaranhados, podemos fazer melhor, com menos incerteza. O emaranhamento é a única maneira de isso ser possível." Os dois tambores vibrantes em grande escala parecem ser dois objetos individuais, mas estão conectados por um emaranhado quântico assustador.

Os pesquisadores do NIST querem usar seu sistema de tambor para construir nós, ou pontos finais de rede, em redes quânticas, ao lado de adaptá-los para problemas que precisam de níveis de precisão sem precedentes, como a detecção da gravidade quando atua na menor escala. 

Uma segunda equipe de pesquisadores, liderada por Mika Sillanpää da Aalto University na Finlândia, decidiu usar seu próprio sistema de tambor quântico para contornar uma das regras mais rígidas da física quântica. O princípio da incerteza de Heisenberg.

Introduzido pela primeira vez pelo físico alemão Werner Heisenberg em 1927, o princípio estabelece um limite rígido para a precisão absoluta que podemos obter ao medir algumas das propriedades físicas de uma partícula. Ele consagra a ideia de que em seu nível menor e mais fundamental, o universo é uma besta difusa e imprevisível, nunca permitindo que informações completas sobre ele sejam conhecidas. 

Você não pode saber a posição de uma partícula e seu momento com precisão absoluta, por exemplo. Quer saber exatamente onde um elétron está localizado? Você pode medi-lo repetidamente para construir alguma certeza. Mas quanto mais você faz isso, mais você interage com ele, mudando seu momentum. A mesma coisa acontece ao contrário. A certeza no mundo quântico é uma troca em um reino onde os objetos existem mais como nuvens de probabilidades, ter mais certeza sobre uma de suas propriedades significa ficar menos seguro sobre outra. 

Mas a segunda equipe de pesquisadores encontrou uma maneira de contornar isso. Ao bater continuamente em seu tambor quântico com fótons, ou partículas de luz, como fariam com uma caixa, os pesquisadores foram capazes de afinar seus tambores em um estado emaranhado. Então, em vez de medir a posição e o momento de cada tambor individual, os pesquisadores trataram os tambores emaranhados como se fossem um único tambor combinado e mediram a posição do tambor imaginário sem afetar sua velocidade.

"A incerteza quântica do movimento dos tambores é cancelada se os dois tambores são tratados como uma entidade mecânica quântica", disse a autora principal Laure Mercier de Lepinay, pesquisadora de pós-doutorado na Universidade Aalto, na Finlândia, em um comunicado. 

Isso abre toda uma nova gama de possibilidades para medições a serem feitas nas menores escalas sem nenhuma informação a ser perdida e, dada a forma contínua como a medição é feita, para seus novos sensores quânticos monitorarem sistemas minúsculos em constante evolução. Os pesquisadores esperam que seus tambores emaranhados sejam sensíveis o suficiente para medir as minúsculas distorções no espaço criadas por ondas gravitacionais e matéria escura, além de serem usados para conectar redes quânticas, que usam objetos emaranhados como seus tambores como relés.

Ambos os experimentos também nos confrontam com a realidade de nossa proximidade com o mundo quântico que, apesar dos experimentos mentais ostensivamente rebuscados que invocam gatos meio mortos e meio vivos, sangra em nossos próprios modos muito mais sutis do que poderíamos pensar. 

A primeira e a segunda equipe publicaram suas descobertas em 7 de maio na revista Science.

Originalmente publicado em Live Science.