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Sobre gatos, fótons e mundos estranhos

Para entender transição do mundo quântico para o clássico, físicos brasileiros medem troca de informação entre partículas de luz e o ambiente

RICARDO ZORZETTO | Edição 202 - Dezembro de 2012

Pergunte a um físico 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 propriedades estranhas das partículas, como a capacidade de se estar em mais de um lugar do espaço ao mesmo tempo, porque elas 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 que não podem mais ser recuperadas. Perdidas essas propriedades, os componentes mais elementares da matéria passam a se comportar como qualquer objeto visível a olho nu. Mas em um experimento com partículas de luz realizado meses atrás na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) um grupo de físicos brasileiros demonstrou 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”, explica o físico Luiz Davidovich, que, ao lado de Paulo Henrique Souto Ribeiro e Stephen Walborn, coordenou a equipe que conduziu os testes.

Apresentada na edição de 12 de outubro da revista Physical Review Letters, a constatação de que a perda de informação não é completa pode despertar o interesse de físicos e especialistas em teoria da informação por dois motivos. O primeiro é de ordem prática. Como a informação não se esvai completamente, nem de uma só vez, pode se tornar um pouco mais simples construir sistemas mais estáveis, que permitam usá-la para realizar cálculos, caso dos computadores quânticos, ou para transmiti-la com segurança, por meio da criptografia quântica. É que o funcionamento desses sistemas depende diretamente das propriedades quânticas das partículas, razão por que os protótipos já produzidos – até mesmo o que parece ser o primeiro computador quântico comercial, construído pela empresa canadense D-Wave Systems (ver Pesquisa FAPESP nº 193) – precisam ser mantidos a temperaturas baixíssimas e isolados o máximo possível da influência do ambiente que os cerca.

Já o segundo motivo é de ordem teórica – e até filosófica. 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 e estrelas) também deveria ter um comportamento quântico, como o do gato simultaneamente vivo e morto do experimento mental de Erwin Schroedinger.

Em 1926 esse físico austríaco formulou uma equação em que as partículas eram tratadas como ondas. Segundo seu colega alemão Max Born, as ondas indicavam a probabilidade de uma partícula ser encontrada em uma região do espaço-tempo. Incomodado com certas interpretações muitas vezes associadas a essa distribuição de possibilidades – que atribuíam, por exemplo, a incerteza sobre a posição de uma partícula à ignorância do observador, mas não a uma propriedade objetiva da partícula –, Schroedinger tentou demonstrar as consequências absurdas que poderiam decorrer. Para exemplificar a estranheza dos resultados, Schroedinger sugeriu em 1935 que se imaginasse o que aconteceria com um gato colocado em uma caixa hermeticamente fechada contendo um punhado de material radioativo, um detector de radiação, um martelo e um recipiente de vidro com um gás letal. Quando decai, a partícula libera radiação e aciona o detector, que, por sua vez, ativa o mecanismo que faz o martelo quebrar o frasco de veneno. Como consequência, o gato morre.

A complicação viria a seguir. Supondo que houvesse uma probabilidade de 50% de uma partícula decair a cada hora, haveria uma probabilidade igual (também de 50%) de o gato estar vivo ou estar morto passados 60 minutos do início do experimento. Segundo Schroedinger, o caráter probabilístico da física quântica daria margem a uma interpretação de que, ao fim do teste, o gato não estaria nem vivo nem morto, mas em uma combinação das duas condições (morto e vivo) ao mesmo tempo – os físicos chamam essa situação contraintuitiva de superposição de estados, possível apenas no mundo quântico. Com essa situação absurda, Schroedinger pretendia mostrar que era necessário interpretar com cuidado a mecânica quântica que ele havia ajudado a formular.

Nesses quase 80 anos não se encontraram furos na teoria que permitissem desfazer esse aparente paradoxo. A mecânica quântica é considerada uma das teorias mais testadas e bem-sucedidas da física, capaz de predizer os fenômenos com uma precisão jamais vista antes. Juntas, ela e a teoria da relatividade geral, formulada por Einstein, são os pilares da física moderna. “Há consenso entre os físicos de que o mundo é quântico”, comenta George Matsas, físico teórico da Universidade Estadual Paulista (Unesp). “Mas não se sabe como recuperar o mundo clássico a partir de uma descrição puramente quântica.” Ao menos, não de modo que a solução não pareça mágica aos olhos de um leigo.

À medida que a sofisticação da mecânica quântica fazia esvanecer a conexão entre o mundo das partículas e a realidade acessível às pessoas, diversas tentativas de reconciliação foram propostas. Logo que surgiu o paradoxo, o próprio Born teria afirmado que o impasse desapareceria ao abrir a caixa: o mero ato de observar eliminaria a superposição de estados e o gato se revelaria simplesmente morto ou vivo. Outras ideias se seguiriam. A explicação mais aceita de por que não se observam propriedades quânticas em objetos macroscópicos foi apresentada pelo físico alemão Heiz-Dieter Zeh no início dos anos 1970. 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. Assim, esses sistemas não poderiam ser descritos pelas equações de Schroedinger, 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), nos Estados Unidos. Nessa interação, a informação do sistema quântico escapa para o ambiente por meio de um fenômeno que Zurek chamou de decoerência.

018-025_Fotons_202-4Para entender o que é a perda de coerência, primeiro é preciso saber o que é coerência, uma propriedade das ondas, como as que se propagam quando uma pedra é atirada na água ou uma corda é agitada. Um teste clássico da física, o experimento da fenda dupla, que o inglês Thomas Young usou há mais de 200 anos para investigar se a luz é composta de ondas ou partículas – a mecânica quântica mostraria que é simultaneamente ambas –, pode ajudar na compreensão. Uma forma de fazer o experimento é acender uma luz monocromática diante de duas placas. Na primeira, mais próxima da lâmpada, são feitas duas fendas paralelas que permitem parte da luz passar e iluminar a segunda placa, um pouco mais distante. Por ter natureza ondulatória, assim como as ondas da superfície de um lago, a luz ao atravessar o primeiro anteparo se recombina como se em cada fenda houvesse uma fonte de luz. Quando a crista de uma onda encontra a de 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. “Coerência é a propriedade que os sistemas têm de produzir esse padrão de interferência”, explica Davidovich.

No século passado, 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 primeiro anteparo, os átomos produzem um padrão de interferência semelhante ao da luz. Para a mecânica quântica, isso só se explica se cada átomo passar simultaneamente pelas duas fendas. Quando o que se deseja observar é o padrão de interferência que se forma na segunda placa, o experimento funciona como a caixa lacrada com o gato de Schroedinger. Diversos experimentos já demonstraram que, quando se usa qualquer tipo de detector para tentar saber por qual das duas fendas a partícula de fato passou, a resposta é sempre única: a partícula passa pela fenda da direita ou da esquerda. Quando esse tipo de medição é feita, porém, a franja de interferência desaparece do segundo anteparo e, portanto, perde-se a coerência. Na analogia com o experimento do gato, o uso do detector nas fendas corresponde a abrir a caixa.

Os físicos entendem essa segunda medição – ou a abertura da caixa para espiar o gato – como sendo a interação do sistema com o ambiente. Antes isolado, o sistema mantinha um comportamento quântico. Nesse estado, o fóton ou o elétron, por exemplo, podia passar pelas duas fendas ao mesmo tempo. Quando a coerência se desfaz, essa capacidade some e as partículas passam a exibir comportamento clássico (atravessam uma das duas). Nessa transição para o mundo clássico, perde-se informação quântica, como a que permitia a partícula estar em dois lugares ao mesmo tempo – ou o gato de Schroedinger morto e vivo. “Não há como reproduzir o mundo clássico sem perder informação do mundo quântico”, comenta Matsas.

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 os que se percebem no mundo clássico. Zurek deu o nome de darwinismo quântico a essa destruição seletiva de informação.

Em um artigo publicado em 2002 na Los Alamos Science, revista de divulgação do LANL dedicada a abordar temas da fronteira da ciência, Zurek escreveu: “Uma forma de compreender a existência objetiva induzida pelo ambiente é reconhecer que os observadores – em especial, os humanos – não medem nada diretamente. Em vez disso, 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”.

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, o físico e historiador da ciência Abraham Pais, Einstein teria comentado algo como: “Você acredita mesmo que a Lua só está lá quando olhamos para ela?”. No livro Introducing quantum theory – A graphic guide, o escritor Joseph P. McEvoy relata que em dezembro de 2000 o físico norte-americano John Wheeler, estudioso da mecânica quântica que trabalhou com um dos expoentes na área, o dinamarquês Niels Bohr, e ajudou a desenvolver as bombas atômica e de hidrogênio, lhe escreveu por ocasião do 100o aniversário da descoberta do quantum. Em 1900, o físico alemão 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 a radiação em quantidades discretas (pacotes) que ele chamou de quanta, plural de quantum. No texto a McEvoy, Wheeler dizia: “Para celebrar, eu proporia o título: ‘O Quantum: a Glória e a Vergonha’. Por que glória? Porque não há área da física que o quantum não tenha iluminado. A vergonha porque ainda não sabemos ‘por que razão o quantum?’”.

No mundo macroscópico, fótons como os vindos das estrelas – e são muitos os fótons que, por exemplo, chegam à Terra – estão colidindo o tempo todo com os objetos. “É como se fizessem medições que destroem a informação quântica e nos permitem ver o mundo como clássico”, diz Davidovich, que há quase três décadas investiga os fenômenos complexos da mecânica quântica. Entre eles, a perda de coerência, que determina a passagem do mundo quântico para o clássico.

Até hoje não se observou um limite de tamanho, massa ou energia que estabeleça uma espécie de fronteira entre um mundo e outro. Em um encontro que reuniu os grandes físicos do mundo em 1927, Niels Bohr propôs que essa fronteira variaria de um sistema para 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 um comportamento quântico (como onda e partícula) no teste da fenda dupla. O grupo já anunciou que planeja repetir o teste com vírus, bem maiores.

018-025_Fotons_202-6Embora não se conheçam esses limites, os físicos hoje têm uma ideia mais precisa dos fatores que influenciam essa transição. Quando foi para o laboratório do físico francês Serge Haroche na École Normale Supériere, em Paris, em 1986, Luiz Davidovich começou a investigar essa questão. Com a equipe da França, ele e o colega brasileiro Nicim Zagury, também da UFRJ, começaram a planejar um sistema que permitisse simular a medição que o ambiente faz sobre os sistemas quânticos. Dez anos mais tarde, Davidovich publicou com seus colegas franceses um artigo na Physical Review A detalhando como o sistema poderia ser construído de modo a medir a informação do sistema quântico e acompanhar sua transformação em clássico devido ao efeito do ambiente. A ideia era aprisionar fótons de uma luz muito pouco energética (na frequência das micro-ondas) 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. Segundo Davidovich, nesse experimento, realizado no mesmo ano em que foi publicado o artigo na Physical Review A, o átomo, que é transparente à luz aprisionada, funciona como uma espécie de “ratinho quântico” que os pesquisadores enviam para a caixa do gato de Schroedinger. “É uma forma de espiar o gato sem abrir a caixa”, diz Davidovich. “Dependendo de como sai o rato quântico, podemos saber se o gato estava ou não em uma superposição de dois estados – morto e vivo”, explica.

Esse experimento demonstrou que o tempo em que ocorre a perda de informação quântica – ou tempo de decoerência – é inversamente proporcional ao número de fótons aprisionados na cavidade e integrou uma série de trabalhos que conferiu a Haroche o Prêmio Nobel de Física de 2012 (honraria dividida com o americano David Wineland, da Universidade do Colorado, também pesquisador dessa área). 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 tempo absurdamente curto.

Anos atrás Wojciech Zurek demonstrou 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, Walborn, Osvaldo Jimenez Farias, Gabriel Aguillar e Andrea Valdéz-Hernández mostraram em um experimento com fótons que o mesmo ocorre com uma propriedade fundamental para a computação e a criptografia quânticos chamada emaranhamento. O emaranhamento ou entrelaçamento é um elo quântico que partículas (ou conjunto de partículas) mantêm entre si, mesmo quando distantes umas das outras. Essa conexão, tão intensa quanto frágil, é tal que as modificações sofridas por algumas das partículas refletem nas outras (ver Pesquisa FAPESP nos 102, 123 e 136).

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 e saber quanto de informação foi perdida por decoerência. “Talvez esse seja o único sistema físico em que se consegue medir completamente o estado do ambiente”, conta 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 primeira 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 caminho que percorreria em seguida (direita ou esquerda). É como se os fótons tivessem interagido com o ambiente externo ao sistema e transmitido para ele parte da informação. Na analogia com o gato de Schroedinger, essa transferência de informação seria o equivalente a moléculas de odor escaparem da caixa indicando se o gato está morto ou ainda vive.

Os físicos observaram que o entrelaçamento inicial entre a polarização dos dois fótons começou a desaparecer depois da interação com o ambiente. Mas, em alguns casos, surgiu no final uma forma distinta de emaranhamento, em que os dois fótons se apresentavam emaranhados com o ambiente. Segundo os pesquisadores, ao conhecer a parte da informação que é perdida para o ambiente, talvez seja possível recuperá-la. “Ainda não fizemos isso, mas vimos que é possível”, afirma Davidovich.

“Nossa ideia é tentar entender o emaranhamento como sendo uma grandeza física qualquer, como a energia ou a velocidade, para tentarmos estabelecer leis de evolução dessa quantidade”, diz Souto Ribeiro, que coordenou, com o colega Walborn e 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.

Para Souto Ribeiro, o fato de ter funcionado em um ambiente simples indica que também deve dar certo com ambientes mais complexos, uma vez que as equações que descrevem a interação com ambientes simples são exatamente as mesmas que descrevem com os complexos, nos quais é difícil realizar medições. Davidovich considera que ele e seus colaboradores apenas começaram a trilhar um caminho novo. “O experimento que fizemos nos dá apenas informação parcial sobre o que acontece porque o objeto está longe de ser considerado macroscópico”, explica. “Gostaria de estudar as impressões digitais que objetos macroscópicos deixam no ambiente.” O próximo passo deve ser explorar, do ponto de vista teórico, o que ocorreria nesse caso. “Planejar um experimento para observar isso”, diz, “seria extremamente difícil”.

Artigos científicos
FARIAS, O.J. et al. Observation of the emergence of multipartite entanglement between a bipartite system and its environment. Physical Review Letters. 12 out. 2012.
CORNELIO, M.F. et al. Emergence of the pointer basis through the dynamics of correlations. Physical Review Letters. 9 nov. 2012.

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