A ascensão das máquinas quânticas

Michael Brooks, da New Scientist Segunda-feira, 25 de outubro de 2010 – 14h12

Ilustração Maurício Medeiros

A ascensão das máquinas quânticas

SÃO PAULO – Elas vão nos permitir explorar os limites entre o estranho mundo dos quanta e o dia a dia.

A teoria quântica é a página de maior sucesso na física. Não há um pingo de evidência experimental que não se encaixe em suas previsões. Então, se ela não tem defeitos, por que há um número crescente de pesquisadores querendo consertá-la? “Tudo depende de você acreditar ou não que a mecânica quântica vai continuar descrevendo o mundo físico perfeitamente, não importa o quanto você avance”, diz o Prêmio Nobel Anthony Leggett, que estuda o mundo quântico na Universidade de Illinois, em Urbana-Champaign.

Leggett acredita que não, que existem problemas demais com a teoria quântica para considerá-la mais do que uma aproximação da realidade. “Estou inclinado a apostar na ideia de que, se você avançar a mecânica quântica até o limite certo, ela não vai se sustentar e outra coisa vai tomar seu lugar — algo que não podemos prever no momento”, diz ele. A questão é: quão longe podemos levá-la? Os experimentos nunca foram sensíveis o suficiente para revelar algum ponto fraco da mecânica quântica. Mas, graças a uma descoberta feita este ano, isso pode estar prestes a mudar. Uma nova leva de experimentos entra em cena e deve dar conta do recado. Bem-vindo ao amanhecer das máquinas quânticas.

Essas máquinas prometem preencher a lacuna das experiências que já foram feitas para dar suporte à nossa visão do mundo quântico. Veja, por exemplo, o simples processo de medir o spin de um fóton. Graças à natureza estranha do mundo quântico, ele pode realmente estar girando em duas direções ao mesmo tempo, um fenômeno conhecido como superposição. No entanto, quando usamos um detector para medir a rotação, a sobreposição desaparece e registramos uma rotação que ocorre numa direção ou na outra. A teoria não explica por que isso acontece. “De fato, não entendemos o processo de medição”, admite Stephen Adler, do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, New Jersey.

Se você quer ter uma ideia de quão pouco sabemos, pergunte a uma sala cheia de físicos o que acontece quando medimos as propriedades de uma partícula. Todos serão capazes de calcular o resultado da medição, mas as explicações que vão dar serão completamente diferentes. Alguns vão dizer que novos universos paralelos nasceram. Outros dirão que, antes de uma medição ser realizada, falar em propriedades reais de partículas não tem sentido. Outros dirão ainda que propriedades ocultas estão em jogo.

Outro grupo irá dizer que lida com física, não filosofia, e julgar a questão sem lhe dar uma resposta. Tem sido assim há mais de 80 anos. “Esses desafios conceituais ainda não são nem um pouco compreendidos”, diz Markus Aspelmeyer, da Universidade de Viena, na Áustria. “Nós ainda estamos bem no começo.”

Experimentos investigando o mundo quântico sempre foram focados em dispositivos conhecidos como interferômetros. Os pesquisadores disparam uma única partícula quântica, como um fóton, na direção de duas aberturas numa tela. O senso comum diz que o fóton tem de passar por uma abertura ou outra. No entanto, desde que você não meça por qual abertura ele passou, algo extraordinário acontece. Na tela do outro lado das fendas, um padrão de interferência se forma. Isso só pode ocorrer se o fóton passa por duas fendas ao mesmo tempo e interfere consigo mesmo. Ou seja, enquanto ninguém está olhando, o fóton existe em dois lugares diferentes ao mesmo tempo.

A medição muda tudo, porém. Se você configurar a experiência para poder ver por qual fenda o fóton passa, o padrão de interferência desaparece: a partícula passa por uma fenda ou por outra, mas não por ambas. A situação é similar a um dos experimentos teóricos mais famosos da física, o do gato de Schrödinger. Aqui, um felino infeliz é selado em uma caixa com um frasco de veneno e um pedaço de metal radioativo. Quando o metal emite uma partícula radioativa, aciona um mecanismo que vai quebrar o frasco, matando o gato. Mas como a caixa é fechada, não há medição, e a partícula permanece numa superposição de emissão e não emissão. De acordo com a lógica quântica, o gato está, portanto, vivo e morto ao mesmo tempo. Schrödinger criou esse cenário bizarro para mostrar que havia algo errado com a teoria quântica. Não é possível, disse ele, que algo não quântico como um gato possa estar em uma superposição de vivo e morto — independentemente de estar sendo observado ou não. Outros discordam. Markus Arndt, da Universidade de Viena, demonstrou que moléculas de carbono-70 também podem passar por duas fendas ao mesmo tempo. Essas moléculas esféricas não são tão substanciais quanto um gato, mas podem ser vistas num microscópio.

Os experimentos com interferômetros têm sido extremamente úteis para nos ensinar o que constitui uma medição. Acontece que a medição não tem de ser uma ação deliberada. Experimentos têm mostrado que, se as condições permitem a um observador inferir por qual fenda o fóton passou — se, por exemplo, houvesse fótons dispersos no aparelho que pudessem ricochetear no fóton-teste e, assim, revelar sua posição —, a sobreposição desaparece. Essa destruição (ou colapso) da sobreposição é conhecida como decoerência.

Explorar o acontecimento da decoerência nos permitiu descobrir mais sobre o que faz o mundo quântico funcionar. No entanto, ainda há muita coisa que não sabemos. E enfrentamos um difícil problema de logística. Empurrar a fronteira entre o mundo quântico e o da física clássica consiste em utilizar moléculas cada vez maiores para ver em que ponto a decoerência destrói a superposição. Mas quanto maior a molécula, mais difícil é controlar as forças exteriores e impedi-las de destruir o delicado estado quântico da molécula. Em moléculas grandes, efeitos incontroláveis de decoerência predominam, estragando o efeito que se pretende medir.

É aí que entram as máquinas quânticas. No momento, elas não parecem muita coisa. A mais avançada delas é pouco mais do que um pedaço de alumínio de cerca de 50 micrômetros de comprimento. Ela funciona como um oscilador, algo como um diapasão quântico. A chave é sua massa. Mesmo os grupos relativamente grandes de átomos de carbono que Arndt envia através de seu interferômetro são leves em comparação com a massa que as máquinas quânticas terão (veja A massa importa, ao lado). “Eles operam em massas que são de ordens de grandeza maiores do que até mesmo os aglomerados com maior massa que estamos usando hoje”, diz Arndt.

Isso é útil porque a massa dos objetos quânticos desempenha um papel importante em várias explicações alternativas de como funciona o mundo quântico. Nos últimos sete anos, Dirk Bouwmeester, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara (UCSB), vem construindo uma máquina quântica para testar uma ideia apresentada pelo matemático Roger Penrose, da Universidade de Oxford. Em 2003, Penrose sugeriu que a gravidade pode causar o colapso de superposição. Se esse for o caso e descobrirmos que objetos pesados, ou muito próximos, são incapazes de se sustentar em dois lugares ao mesmo tempo, isso poderá nos ajudar a compreender o funcionamento interno do mundo quântico e o problema de medição.

Testar essas ideias, no entanto, vai exigir máquinas quânticas de sensibilidade quase incompreensível. A aparelhagem necessária envolve espelhos de 10 micrômetros que pesam apenas alguns bilionésimos de quilograma. “É uma experiência difícil — talvez leve 10 anos para ser concluída”, diz Bouwmeester.

Sua experiência exige que os próprios espelhos entrem em superposição — em outras palavras, estejam em dois lugares diferentes ao mesmo tempo. Verificar isso, no entanto, significa medir o quanto eles são desviados por um fóton que também está, em si mesmo, numa superposição. Se os cálculos de Bouwmeester estiverem corretos, o desvio será inferior a um bilionésimo de milímetro.

Embora a máquina de Bouwmeester ainda esteja longe de nos dizer qualquer coisa, outra máquina quântica está pronta para entrar em ação: o diapasão quântico mencionado anteriormente, criado por Aaron O’Connell e seus colegas da UCSB. Em março, eles relataram que conseguiram deixá-lo em repouso em seu estado fundamental.

Não foi fácil conseguir isso — foram anos de trabalho árduo —, mas isso significa que, como um átomo, o oscilador está num estado em que irá absorver a energia apenas em quantidades incrementais distintas, ou quanta. Seus movimentos são tão minuciosos que a adição de um único quantum de energia irá afetar seu deslocamento ou alterar a sua posição. E, da mesma forma que um átomo, ele pode existir numa superposição. A equipe de O’Connell conseguiu colocar seu pedaço de alumínio numa superposição de oscilante e não oscilante. Eles conseguiram isso colocando o oscilador ao lado de um pequeno circuito elétrico que apresenta comportamentos quânticos estranhos, como forçar a corrente a se mover em duas direções diferentes ao mesmo tempo. A proximidade desse comportamento estranho fez o oscilador captar os mesmos estados quânticos estranhos. O experimento é um avanço no sentido de um caso verdadeiramente macroscópico de algo estar em dois lugares ao mesmo tempo. Se pudermos chegar lá, ele será o análogo mecânico de um gato estar vivo e morto.

Ainda há um bom caminho a percorrer antes de estarmos completamente prontos para resolver o paradoxo do gato de Schrödinger. Embora o oscilador seja grande o suficiente para ser visto a olho nu, a diferença entre sua posição estática e oscilante é pequena, apenas 10-16 metro, ou seja, um décimo quatrilionésimo de metro. Para ver um desvio significativo da mecânica quântica padrão, as separações teriam de ser pelo menos uma ordem de magnitude maior — possivelmente muito mais, Arndt avalia.

No entanto, diz Arndt, a descoberta é “realmente impressionante”. Ele, como todo mundo, está animado para ver o que pode vir desta nova era das máquinas quânticas. “As primeiras aplicações principais são o aumento de testes dos fundamentos da física quântica”, diz ele.

Isso poderia ser feito observando o comportamento dos osciladores em condições diversas, como diferentes temperaturas e frequências de oscilação. Colocá-los junto a diferentes tipos de circuitos quânticos e usar diversas formas de protegê-los do ambiente também pode expor comportamentos quânticos invisíveis. Como a máquina quântica é tão extraordinariamente grande, é possível que ela faça coisas que a teoria quântica não prevê.

O grupo de O’Connell não viu ainda quaisquer desvios da equação de Schrödinger que descreve o mundo quântico. “Parece funcionar muito bem, pelo que temos visto até agora”, diz John Martinis, que lidera a equipe. Mas esses são apenas os primeiros de uma nova onda de testes. No ano passado, Adler e Angelo Bassi, da Universidade de Trieste, na Itália, apontaram que uma máquina quântica poderia testar uma proposta feita por um grupo de físicos em Trieste mais de uma década atrás: que a equação de Schrödinger é apenas uma aproximação de uma teoria mais profunda, e que a adição de um termo que descreva o ruído aleatório pode torná-la mais precisa.

Nesse modelo de “localização espontânea contínua “, o ruído aleatório está relacionado à massa dos objetos envolvidos e é isso, e não o processo de medição, que causa a decoerência. Adler e Bassi mostraram agora como isso poderia ser testado — e como poderia revelar algo novo sobre o universo.

Mas o que é esse ruído? Um sibilo eletromagnético? O movimento caótico browniano das partículas? Algo totalmente desconhecido para a física? Não está claro, diz Adler, mas a última possibilidade é a mais provável, se o modelo estiver certo.

Embora a estrada à frente pareça ser tortuosa, todos estão animados com os horizontes abertos pelas máquinas quânticas. É uma oportunidade de sondar o mundo quântico de uma “forma nova e inexplorada”, diz Aspelmeyer. “Isso é realmente testar a física quântica em seus extremos.”

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Publicado em 25/10/2010, em Ciência e tecnologia. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

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