O darwinismo quântico passa nos primeiros testes

Três experimentos examinaram o darwinismo quântico, uma teoria que explica como as possibilidades quânticas podem dar origem à realidade clássica objetiva.

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- Crédito: Olena Shmahalo/Quanta Magazine.

Por Philip Ball
Publicado na Quanta Magazine

Não é de surpreender que a física quântica tenha a reputação de ser estranha e contraintuitiva. O mundo em que vivemos com certeza não se parece com a mecânica quântica. E até o século 20, todos assumiram que as leis clássicas da física inventadas por Isaac Newton e outros – de acordo com os quais os objetos têm posições e propriedades bem definidas em todos os momentos – funcionariam em todas as escalas. Mas Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr e seus contemporâneos descobriram que, entre átomos e partículas subatômicas, essa concretude se dissolve em uma sopa de possibilidades. Um átomo tipicamente não pode ser atribuído a uma posição definida, por exemplo – podemos simplesmente calcular a probabilidade de encontrá-lo em vários lugares. A questão inquietante, então, torna-se: como as probabilidades quânticas se aglutinam no foco nítido do mundo clássico?

Os físicos às vezes falam sobre essa mudança como a “transição quântica clássica”. Mas, na verdade, não há razão para pensar que o grande e o pequeno têm regras fundamentalmente diferentes ou que há uma mudança repentina entre eles. Nas últimas décadas, os pesquisadores alcançaram uma maior compreensão de como a mecânica quântica inevitavelmente se torna mecânica clássica por meio de uma interação entre uma partícula ou outro sistema microscópico e seu ambiente circundante.

Uma das ideias mais notáveis ​​nesse arcabouço teórico é que as propriedades definidas dos objetos que associamos à física clássica – posição e velocidade, digamos – são selecionadas de um menu de possibilidades quânticas em um processo vagamente análogo à seleção natural na evolução. As propriedades que sobrevivem são, em certo sentido, “mais fortes”. Como na seleção natural, os sobreviventes são aqueles que produzem mais cópias de si mesmos. Isso significa que muitos observadores independentes podem fazer medições de um sistema quântico e concordar com o resultado – uma característica do comportamento clássico.

Chaoyang Lu (à esquerda) e Jian-Wei Pan, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, em Hefei, lideraram um experimento recente que testou o darwinismo quântico em um ambiente artificial feito de fótons que interagem entre si. Crédito: Cortesia de Chaoyang Lu.

Essa ideia, chamada de darwinismo quântico (QD), explica muito sobre por que experimentamos o mundo dessa forma, e não do modo peculiar como ele se manifesta na escala de átomos e partículas fundamentais. Embora os aspectos do quebra-cabeça permaneçam sem solução, o QD ajuda a curar a aparente falha entre física quântica e física clássica.

Apenas recentemente, no entanto, o darwinismo quântico foi colocado no teste experimental. Três grupos de pesquisa, trabalhando independentemente na Itália, na China e na Alemanha, buscaram a assinatura reveladora do processo de seleção natural pelo qual as informações sobre um sistema quântico são repetidamente impressas em vários ambientes controlados. Esses testes são rudimentares, e os especialistas dizem que ainda há muito a ser feito antes que possamos ter certeza de que o QD fornece a imagem correta de como nossa realidade concreta condensa a partir das múltiplas opções que a mecânica quântica oferece. No entanto, até agora, a teoria foi verificada.

Sobrevivência do mais apto

No coração do darwinismo quântico está a noção escorregadia de medição – o processo de fazer uma observação. Na física clássica, o que você vê é simplesmente como as coisas são. Você observa uma bola de tênis viajando a 200 quilômetros por hora, porque essa é a velocidade. O que mais há a dizer?

Na física quântica, isso não é mais verdade. O que os procedimentos matemáticos formais da mecânica quântica dizem sobre “como as coisas são” em um objeto quântico não é tão óbvio; é apenas uma receita nos dizendo o que poderíamos ver se fizermos uma medição. Tomemos, por exemplo, o modo como uma partícula quântica pode ter uma gama de estados possíveis, conhecida como “superposição”. Isso não significa que ela esteja em vários estados ao mesmo tempo; em vez disso, significa que, se fizermos uma medição, veremos um desses resultados. Antes da medição, os vários estados sobrepostos interferem uns nos outros de maneira ondulatória, produzindo resultados com probabilidades maiores ou menores.

Mas por que não podemos ver uma superposição quântica? Por que todas as possibilidades do estado de uma partícula não podem sobreviver até a escala humana?

A resposta muitas vezes dada é que as superposições são frágeis, facilmente interrompidas quando um delicado sistema quântico é atingido por seu ambiente barulhento. Mas isso não está certo. Quando quaisquer dois objetos quânticos interagem, eles ficam “entrelaçados” um com o outro, entrando em um estado quântico compartilhado no qual as possibilidades de suas propriedades são interdependentes. Assim, digamos que um átomo é colocado em uma superposição de dois estados possíveis para a propriedade quântica chamada spin: “para cima” e “para baixo”. Agora o átomo é liberado no ar, onde colide com uma molécula de ar e se emaranha. Os dois estão agora em uma superposição conjunta. Se o átomo é girado para cima, então a molécula de ar pode ser empurrada para um lado, enquanto que, se o átomo é girado para baixo, a molécula de ar segue um outro caminho – e essas duas possibilidades coexistem. À medida que as partículas experimentam ainda mais colisões com outras moléculas de ar, o emaranhamento se espalha, e a superposição inicialmente específica do átomo se torna cada vez mais difusa. Os estados superpostos do átomo não mais interferem coerentemente entre si porque estão agora emaranhados com outros estados no ambiente circundante – incluindo, talvez, algum grande instrumento de medição. Para esse dispositivo de medição, parece que a superposição do átomo desapareceu e foi substituída por um menu de possíveis resultados clássicos que não interferem mais entre si.

Esse processo pelo qual a “quantumidade” desaparece no ambiente é chamado de descoerência. É uma parte crucial da transição quântica clássica, explicando porque o comportamento quântico se torna difícil de ver em grandes sistemas com muitas partículas em interação. O processo acontece extremamente rápido. Se um grão típico de poeira flutuando no ar fosse colocado em uma superposição quântica de dois locais físicos diferentes, separados pela largura do próprio grão, as colisões com as moléculas de ar causariam descoerência – tornando a superposição indetectável – em cerca de 10−31 segundos. Mesmo no vácuo, os fótons de luz provocariam tal descoerência muito rapidamente: você não poderia olhar para o grão sem destruir sua superposição.

Surpreendentemente, embora a descoerência seja uma consequência direta da mecânica quântica, ela só foi identificada na década de 1970, pelo falecido físico alemão Heinz-Dieter Zeh. O físico polaco-americano Wojciech Zurek desenvolveu ainda mais a ideia no início dos anos 80 e tornou-a mais conhecida, e agora existe um bom apoio experimental para ela.

Wojciech Zurek, físico teórico do Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, desenvolveu a teoria do darwinismo quântico nos anos 2000 para dar conta da emergência da realidade objetiva e clássica. Crédito: Cortesia do Laboratório Nacional Los Alamos.

Mas, para explicar o surgimento da realidade objetiva e clássica, não é suficiente dizer que a descoerência elimina o comportamento quântico e, consequentemente, faz com que ele pareça clássico para um observador. De alguma forma, é possível que vários observadores concordem sobre as propriedades dos sistemas quânticos. Zurek, que trabalha no Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, argumenta que duas coisas devem ser verdadeiras.

Primeiro, os sistemas quânticos devem ter estados que sejam especialmente robustos diante da descoerência disruptiva do ambiente. Zurek os chama de “estados de ponteiro”, porque eles podem ser codificados nos possíveis estados de um ponteiro no mostrador de um instrumento de medição. Uma localização particular de uma partícula, por exemplo, ou sua velocidade, o valor de seu spin quântico, ou sua direção de polarização pode ser registrada como a posição de um ponteiro em um dispositivo de medição. Zurek argumenta que o comportamento clássico – a existência de propriedades objetivas estáveis ​​e bem definidas – só é possível porque existem estados de ponteiro de objetos quânticos.

O que é matematicamente especial sobre os estados de ponteiro é que as interações indutoras de descoerência com o ambiente não as embaralham: o estado de ponteiro é preservado ou é simplesmente transformado em um estado que parece quase idêntico. Isso implica que o ambiente não esmaga a quantumidade indiscriminadamente, mas seleciona alguns estados enquanto destrói outros. A posição de uma partícula é resiliente à descoerência, por exemplo. Superposições de locais diferentes, no entanto, não são estados de ponteiro: as interações com o ambiente as transformam em estados de ponteiro localizados, de modo que apenas uma pode ser observada. Zurek descreveu essa “superseleção induzida pelo ambiente” dos estados de ponteiro nos anos 80.

Mas há uma segunda condição que uma propriedade quântica deve cumprir para ser observada. Embora a imunidade à interação com o ambiente garanta a estabilidade de um estado de ponteiro, ainda precisamos obter informações sobre ele de alguma forma. Só podemos fazer isso se ele ficar impresso no ambiente do objeto. Quando você vê um objeto, por exemplo, essa informação é entregue à sua retina pelos fótons espalhados por ela. Eles carregam informações para você na forma de uma réplica parcial de certos aspectos do objeto, dizendo algo sobre sua posição, forma e cor. Muitas réplicas são necessárias se muitos observadores concordarem com um valor medido – uma característica da classicidade. Assim, como argumentou Zurek nos anos 2000, nossa capacidade de observar alguma propriedade depende não apenas dela ser selecionada como um estado de ponteiro, mas também de quão substancial é a marca no ambiente. Os estados que são melhores para criar réplicas no ambiente – os “mais aptos”, você pode dizer – são os únicos acessíveis à medição. É por isso que Zurek chama a ideia de darwinismo quântico.

Acontece que a mesma propriedade de estabilidade que promove a superseleção induzida pelo ambiente dos estados de ponteiro também promove a aptidão darwiniana quântica, ou a capacidade de gerar réplicas. “O meio ambiente, através de seus esforços de monitoramento, transforma os sistemas em sistemas descoerentes”, disse Zurek, “e o mesmo processo que é responsável pela descoerência deve inscrever várias cópias das informações no ambiente”.

Sobrecarga de informação

Não importa, claro, se as informações sobre um sistema quântico que é impresso no ambiente são realmente lidas por um observador humano; tudo o que importa para o comportamento clássico emergir é que as informações cheguem lá para que possam ser lidas em princípio. “Um sistema não precisa estar sendo estudado em nenhum sentido formal” para se tornar clássico, disse Jess Riedel, físico do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá, e defensor do darwinismo quântico. “O QD supostamente explica, ou ajuda a explicar, toda a classicidade, incluindo objetos macroscópicos cotidianos que não estão em laboratório, ou que existiam antes de existirem seres humanos.”

Cerca de uma década atrás, enquanto Riedel estava trabalhando como estudante de pós-graduação com Zurek, os dois mostraram teoricamente que a informação de alguns sistemas quânticos simples idealizados é “copiada prolificamente para o ambiente”, disse Riedel, “de modo que é necessário acessar apenas um pequena quantidade do ambiente para inferir o valor das variáveis”. Eles calcularam que um grão de poeira de um micrômetro de diâmetro, depois de ser iluminado pelo sol por apenas um microssegundo, terá sua localização impressa cerca de 100 milhões de vezes nos fótons dispersos.

É por causa dessa redundância que as propriedades objetivas e clássicas existem. Dez observadores podem medir a posição de um grão de poeira e descobrir que ele está no mesmo local, porque cada um pode acessar uma réplica distinta da informação. Nessa visão, podemos atribuir uma “posição” objetiva ao pontinho não porque “tem” tal posição (seja lá o que isso signifique), mas porque seu estado de posição pode imprimir muitas réplicas idênticas no ambiente, para que observadores diferentes possam chegar em um consenso.

Além disso, você não precisa monitorar muito do ambiente para coletar a maior parte das informações disponíveis, e você não ganha muito mais monitorando mais de uma fração do ambiente. “A informação que se pode recolher sobre o sistema rapidamente satura”, disse Riedel.

Essa redundância é a característica distintiva do QD, explicou Mauro Paternostro, físico da Queen’s University Belfast, que participou de um dos três novos experimentos. “É a propriedade que caracteriza a transição para a classicidade”, disse ele.

O darwinismo quântico desafia um mito comum sobre a mecânica quântica, segundo o físico teórico Adam Cabello, da Universidade de Sevilha, na Espanha: basicamente, que a transição entre o mundo quântico e clássico não é compreendida e que os resultados da medição não podem ser descritos pela teoria quântica. Ao contrário, ele disse, “a teoria quântica descreve perfeitamente o surgimento do mundo clássico”.

Mas também  permanece perfeitamente contencioso, no entanto. Alguns pesquisadores acreditam que a descoerência e a QD fornecem uma explicação completa da transição clássica-quântica. Mas, embora essas ideias tentem explicar por que as superposições desaparecem em grandes escalas e por que apenas as propriedades “clássicas” do concreto permanecem, ainda há a questão de por que as medidas proporcionam resultados únicos. Quando um determinado local de uma partícula é selecionado, o que acontece com as outras possibilidades inerentes à sua descrição quântica? Eles tiveram algum sentido real? Os pesquisadores são obrigados a adotar interpretações filosóficas da mecânica quântica precisamente porque ninguém consegue descobrir uma maneira de responder a essa questão experimentalmente.

No laboratório

O darwinismo quântico parece bastante persuasivo no papel. Mas até recentemente, isso era o máximo que tínhamos. No ano passado, três equipes de pesquisadores colocaram a teoria independentemente no teste experimental, procurando por sua característica principal: como um sistema quântico imprime réplicas de si mesmo em seu ambiente.

Os experimentos dependem da capacidade de monitorar de perto qual informação sobre um sistema quântico é transmitida ao seu ambiente. Isso não é possível para, digamos, um grão de poeira flutuando entre incontáveis ​​bilhões de moléculas de ar. Então, duas das equipes criaram um objeto quântico em uma espécie de “ambiente artificial” com apenas algumas partículas. Ambos os experimentos – um de Paternostro e colaboradores da Universidade Sapienza de Roma, e o outro do especialista em informação quântica Jian-Wei Pan e co-autores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China – usaram um único fóton como sistema quântico, com um punhado de outros fótons servindo como o “ambiente” que interage com ele e transmite informações sobre ele.

Ambas as equipes passaram os fótons de laser através de dispositivos ópticos que poderiam combiná-los em grupos emaranhados. Eles então investigaram os fótons do ambiente para ver quais informações eles codificavam sobre o estado de ponteiro do fóton do sistema – neste caso, sua polarização (a orientação de seus campos eletromagnéticos oscilantes), uma das propriedades quânticas capazes de passar pelo filtro da seleção darwiniana quântica.

Uma previsão chave do QD é o efeito de saturação: praticamente todas as informações que você pode reunir sobre o sistema quântico devem estar disponíveis se você monitorar apenas um punhado de partículas adjacentes. “Qualquer pequena fração do ambiente de interação é suficiente para fornecer a informação clássica máxima sobre o sistema observado”, disse Pan.

As duas equipes acharam exatamente isso. As medições de apenas um dos fótons do ambiente revelaram muitas das informações disponíveis sobre a polarização do fóton do sistema, e medir uma fração crescente dos fótons do ambiente forneceu retornos decrescentes. Mesmo um único fóton pode atuar como um ambiente que introduz a descoerência e a seleção, explicou Pan, se interagir bastante com o fóton do sistema isolado. Quando as interações são mais fracas, um ambiente maior deve ser monitorado.

Uma equipe liderada por Fedor Jelezko, diretor do Instituto de Óptica Quântica da Universidade de Ulm, na Alemanha, sondou o estado de um “defeito” de nitrogênio dentro de um diamante sintético monitorando os átomos de carbono circundantes. Suas descobertas confirmaram previsões de uma teoria conhecida como darwinismo quântico. Crédito: Universidade de Ulm.

O terceiro teste experimental do QD, liderado pelo físico de óptica quântica Fedor Jelezko na Universidade de Ulm na Alemanha, em colaboração com Zurek e outros, usou um sistema e ambiente muito diferente, consistindo de um átomo de nitrogênio solitário substituindo um átomo de carbono no cristal de um diamante – um defeito chamado de vacância do nitrogênio. Como o átomo de nitrogênio tem um elétron a mais que o carbono, esse elétron em excesso não pode se unir aos átomos de carbono vizinhos para formar uma ligação química. Como resultado, o elétron desemparelhado do átomo de nitrogênio atua como um “spin” solitário, como uma seta apontando para cima ou para baixo ou, em geral, em uma superposição de ambas as direções possíveis.

Este spin pode interagir magneticamente com aqueles dos cerca de 0,3% de núcleos de carbono presentes no diamante como o isótopo carbono-13, que, ao contrário do carbono-12 mais abundante, também possui spin. Em média, cada spin da vacância do nitrogênio é fortemente acoplado a quatro spins de carbono-13, a uma distância de cerca de 1 nanômetro.

Controlando e monitorando os spins usando lasers e pulsos de radiofrequência, os pesquisadores puderam medir como uma mudança no spin de nitrogênio é registrada por mudanças nos spins nucleares do ambiente. Como eles relataram em uma pré-impressão em setembro passado, eles também observaram a redundância característica prevista pelo QD: o estado do spin do nitrogênio é “gravado” como múltiplas cópias no entorno, e as informações sobre o spin saturam rapidamente conforme o ambiente é mais considerado.

Zurek diz que, como os experimentos de fótons criam cópias de uma maneira artificial que simula um ambiente real, eles não incorporam um processo de seleção que seleciona estados de ponteiro “naturais” resilientes à descoerência. Em vez disso, os próprios pesquisadores impõem os estados de ponteiro. Em contraste, o ambiente de diamante elicia os estados de ponteiro. “O esquema de diamantes também tem problemas, devido ao tamanho do ambiente”, acrescentou Zurek, “mas pelo menos é natural”.

Generalizando o darwinismo quântico

Até agora, tudo bem para o darwinismo quântico. “Todos esses estudos vêem o que é esperado, pelo menos aproximadamente”, disse Zurek.

Riedel diz que dificilmente poderíamos esperar o contrário: no seu ponto de vista, o QD é realmente apenas a aplicação cuidadosa e sistemática da mecânica quântica padrão para a interação de um sistema quântico com seu ambiente. Embora isso seja virtualmente impossível na prática para a maioria das medições quânticas, se você puder simplificar suficientemente uma medição, as previsões são claras, ele disse: “O QD é mais como uma verificação interna de autoconsistência na própria teoria quântica”.

Mas, embora esses estudos pareçam consistentes com o QD, eles não podem ser tomados como prova de que é a única descrição para o surgimento da classicidade, ou que esteja totalmente correto. Por um lado, diz Cabello, os três experimentos oferecem apenas versões esquemáticas do que um ambiente real consiste. Além disso, os experimentos não descartam de maneira clara outras formas de visualizar o surgimento da classicidade. Uma teoria chamada “transmissão de espectro”, por exemplo, desenvolvida por Pawel Horodecki na Universidade de Tecnologia de Gdańsk, na Polônia, e colaboradores, tenta generalizar o QD. A teoria da transmissão de espectro (que foi trabalhada apenas para alguns casos idealizados) identifica os estados de um sistema e ambiente quântico emaranhados que fornecem informações objetivas que muitos observadores podem obter sem perturbá-la. Em outras palavras, visa assegurar não apenas que diferentes observadores possam acessar réplicas do sistema no ambiente, mas que, ao fazê-lo, não afetem as outras réplicas. Isso também é uma característica de medidas genuinamente “clássicas”.

Horodecki e outros teóricos também tentaram incorporar o QD em uma estrutura teórica que não exige qualquer divisão arbitrária do mundo em um sistema e seu ambiente, mas apenas considera como a realidade clássica pode emergir das interações entre vários sistemas quânticos. Paternostro diz que pode ser um desafio encontrar métodos experimentais capazes de identificar as sutis distinções entre as previsões dessas teorias.

Ainda assim, os pesquisadores estão tentando, e a própria tentativa deve refinar nossa capacidade de investigar o funcionamento do reino quântico. “O melhor argumento para realizar esses experimentos é provavelmente que eles são um bom exercício”, disse Riedel. “A ilustração direta do QD pode exigir algumas medições muito difíceis que ampliarão os limites das técnicas de laboratório existentes.” A única maneira de descobrirmos o que a medida realmente significa, ao que parece, é fazer medições melhores.

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