2132: Físicos descobriram uma forma de salvar o gato de Schrödinger

CIÊNCIA

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Investigadores da Universidade de Yale, nos EUA, descobriram como capturar o famoso gato de Schrödinger, um símbolo de super-posição quântica, antecipando os seus saltos e agindo em tempo real para “salvá-lo”.

A descoberta, que anula anos de dogma fundamental na física quântica, permite que os investigadores criem um sistema de alerta antecipado para saltos iminentes de átomos artificiais que contêm informações quânticas. Um estudo que anuncia a descoberta foi publicado na edição online da revista Nature.

O gato de Schrödinger é um paradoxo bem conhecido que é usado para ilustrar o conceito de super-posição, a capacidade de existir dois estados opostos simultaneamente, e a imprevisibilidade da física quântica. A ideia é que um gato seja colocado numa caixa selada com uma fonte radioactiva e um veneno que será activado se um átomo da substância radioactiva se desintegrar.

A teoria da super-posição da física quântica sugere que, até que alguém abra a caixa, o gato está vivo e morto, uma super-posição de estados. Abrindo a caixa para observar o gato muda abruptamente o seu estado quântico aleatoriamente, forçando-o a estar vivo ou morto. O salto quântico é a mudança discreta, não contínua e aleatória no estado quando observada.

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O Gato de Schrödinger, que está vivo e morto enquanto está dentro da caixa, é um dos paradigmas da Mecânica Quântica

A experiência, realizada no laboratório de Michel Devoret e do autor principal Zlatko Minev, assemelha-se pela primeira vez ao funcionamento real de um salto quântico. Os resultados revelam uma descoberta surpreendente que contradiz a opinião estabelecida do físico dinamarquês Niels Bohr: os saltos não são abruptos ou tão aleatórios quanto se pensava anteriormente.

Para um pequeno objecto tal como um electrão, uma molécula ou átomo que contém informação quântica artificial do salto quântico é a transição súbita de um dos seus estados de outra energia discretos. No desenvolvimento de computadores quânticos, os investigadores devem lidar com os saltos dos qbits, que são as manifestações dos erros nos cálculos.

Os enigmáticos saltos quânticos foram teorizados por Bohr há um século, mas não foram observados até a década de 1980, em átomos. “Estes saltos ocorrem sempre que medimos um qbit. Sabe-se que saltos quânticos são imprevisíveis a longo prazo. Apesar disso, queríamos saber se seria possível obter um aviso antecipado de que um salto está prestes a acontecer em breve”, explicou em comunicado Devoret.

Minev observou que a experiência foi inspirada por uma previsão teórica de Howard Carmichael, da Universidade de Auckland, pioneiro da teoria da trajectória quântica e co-autor do estudo. Além do seu impacto fundamental, a descoberta é um avanço em potencial no entendimento e controle da informação quântica. Cientistas dizem que a gestão confiável de dados quânticos e a correcção de erros, à medida que ocorrem, é um desafio-chave em no desenvolvimento de computadores quânticos completamente úteis.

A equipa de Yale usou uma abordagem especial para monitorizar indirectamente um átomo artificial supercondutor, com três geradores de micro-ondas que irradiam o átomo contido numa cavidade 3D feita de alumínio. O método de monitorização duplamente indirecto, desenvolvido pela Minev para circuitos super-condutores, permite aos físicos observar o átomo com eficiência sem precedentes.

A radiação de micro-ondas agita o átomo artificial à medida que é observado simultaneamente, resultando em saltos quânticos. O pequeno sinal quântico dos saltos pode ser amplificado sem perder a temperatura ambiente. Aqui, o sinal pode ser monitorizado em tempo real. Isso permitiu aos investigadores ver uma súbita ausência de fotões de detecção. Esta pequena ausência é a advertência antecipada de um salto quântico.

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“O efeito mostrado por esta experiência é o aumento da coerência durante o salto, apesar da sua observação”, assinala Devoret e Minev. É possível também reverter os saltos e este é um ponto crucial, de acordo com os investigadores. Enquanto os saltos quânticos aparecem discretos e aleatórios a longo prazo, reverter um salto quântico significa que a evolução do estado quântico tem, em parte, um carácter determinado e não aleatório. O salto ocorre da mesma maneira previsível do seu ponto de partida aleatório.

“Os saltos quânticos de um átomo são um pouco análogos à erupção de um vulcão, são completamente imprevisíveis a longo prazo, mas com a supervisão correta podemos detectar um aviso antecipado de um desastre iminente e agir antes de acontecer”.

ZAP //

Por ZAP
7 Junho, 2019



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1042: Depois do gato, o termómetro de Schrodinger

CIÊNCIA

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O Gato de Schrödinger, que está vivo e morto enquanto está dentro da caixa, é um dos paradigmas da Mecânica Quântica

À semelhança da teoria do gato de Schrodinger, em que o gato dentro da caixa pode estar ao mesmo tempo vivo e morto, um novo princípio de incerteza sustenta que os objectos quânticos podem estar a duas temperaturas diferentes.

A famosa experiência do gato de Schrodinger, que implicava que um gato numa caixa poderia estar vivo e morto ao mesmo tempo, ganhou um novo parceiro na lista dos fenómenos bizarros da mecânica quântica.

Físicos da Universidade de Exeter, em Inglaterra, descobriram que poderá existir um limbo semelhante ao gato na temperatura: a nível quântico, os objectos podem apresentar duas temperaturas diferentes. Este paradoxo quântico é a primeira nova relação de incerteza quântica a ser formulada em décadas.

O estudo publicado a 6 de Junho na Nature Communications mostra que, através desta nova incerteza quântica, quanto mais precisa for a medição da temperatura do objecto em estudo, menor é a precisão da medição da energia do corpo.

Esta é na prática uma nova aplicação do primeiro dos Princípios da Incerteza de Heisenberg, segundo o qual, na escala dos objectos quânticos, não se consegue medir com igual rigor a posição e a velocidade de um dado corpo.

A descoberta tem grandes implicações para a nano-ciência, que estuda objectos extremamente pequenos, mais diminutos que um nanómetro. Este novo princípio altera a maneira como os cientistas medem a temperatura destes pequenos objectos, tão pequenos como pontos quânticos, pequenos semi-condutores ou células isoladas.

Mesmo que um típico termómetro mostre a subida e descida da sua energia, a energia é sempre contida dentro de uma faixa pequena. A nível quântico, isso já não acontece como mostrou a pesquisa inspirada no gato de Schrodinger.

Na teoria de Schrodinger, é proposto que um gato entre numa caixa com um veneno que pode ser activado pela decaimento de uma partícula radioactiva. Seguindo as leias da mecânica quântica, a partícula pode decair e não decair ao mesmo tempo, o que significa que, até a caixa ser aberta, o gato permanece morto e vivo ao mesmo tempo – um fenómeno conhecido como sobreposição.

Nesta nova pesquisa, os cientistas usaram a matemática teórica para prever quanta sobreposição afectaria a medição da temperatura de um objecto quântico.

“No caso quântico, um termómetro quântico estará numa sobreposição de estados de energia simultaneamente”, afirmou Harry Miller, um dos investigadores da Universidade de Exeter que desenvolveu o novo princípio.

“O que descobrimos é que o termómetro não tem uma energia definida e está na verdade, numa combinação de diferentes estados de uma só vez, o que contribui para a incerteza na temperatura que podemos definir”, revelou.

No mundo observável, um termómetro pode dizer-nos que um dado objecto se encontra entre os -0,5ºC e os 0ºC. No mundo quântico, o termómetro diz-nos que o objecto está em ambas as temperaturas ao mesmo tempo. Este novo principio quântico explica a estranheza quântica registada.

O novo estudo pode ajudar os cientistas nos novos projectos em que é necessário medir as mudanças de temperatura em objectos abaixo da escala nanométrica. “Os nossos resultados vão dizer exactamente como projectar as suas sondas e explicar a incerteza quântica adicional que se obtém”, conclui Harry Miller.

ZAP // Live Science

Por ZAP
19 Setembro, 2018

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