Saltos quânticos não são instantâneos

Um experimento pegou um sistema quântico no meio de um salto - algo que os criadores da mecânica quântica acreditavam ser impossível.

0
941

Por Philip Ball
Publicado na Quanta Magazine

Quando a mecânica quântica foi desenvolvida pela primeira vez há um século como uma teoria para entender o mundo da escala atômica, um de seus principais conceitos foi tão radical, ousado e contraintuitivo que ganhou um termo na linguagem popular: o “salto quântico”. Os puristas podem dizer que o hábito comum de aplicar esse termo a uma grande mudança deixa passar o ponto em que saltos entre dois estados quânticos são tipicamente pequenos, e é exatamente por isso que eles não foram notados antes. Eles são repentinos, sim. Tão súbitos, de fato, que muitos dos pioneiros da mecânica quântica assumiram que eram instantâneos.

Um novo experimento mostra que eles não são. Ao fazer uma espécie de filme de alta velocidade de um salto quântico, o trabalho revela que o processo é tão gradual quanto o derretimento de um boneco de neve ao sol. “Se conseguimos medir um salto quântico rápido e eficiente o suficiente”, disse Michel Devoret, da Universidade de Yale, “na verdade ele é um processo contínuo”. O estudo, liderado por Zlatko Minev, estudante de graduação no laboratório de Devoret, foi publicado na segunda-feira na Nature. Os colegas já estão animados. “Este é realmente um experimento fantástico”, disse o físico William Oliver, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, que não estava envolvido no trabalho. “Realmente incrível.”

Mas tem mais. Com seu sistema de monitoramento de alta velocidade, os pesquisadores puderam detectar quando um salto quântico estava prestes a aparecer, “capturá-lo” na metade e reverter, enviando o sistema de volta ao estado em que ele começou. Dessa maneira, o que parecia aos pioneiros quânticos a inevitabilidade da aleatoriedade no mundo físico agora se mostra passível de controle. Podemos nos encarregar do quantum.

Tudo muito aleatório

A brusquidão dos saltos quânticos foi um pilar central da maneira como a teoria quântica foi formulada por Niels Bohr, Werner Heisenberg e seus colegas em meados da década de 1920, em uma imagem agora comumente chamada de interpretação de Copenhague. Bohr havia argumentado anteriormente que os estados de energia dos elétrons nos átomos são “quantificados”: somente certas energias estão disponíveis para eles, enquanto todas aquelas entre elas são proibidas. Ele propôs que os elétrons mudam sua energia absorvendo ou emitindo partículas quânticas de fótons de luz – que têm energias que combinam com a lacuna entre os estados de elétrons permitidos. Isso explicava por que átomos e moléculas absorvem e emitem comprimentos de onda muito característicos da luz – muitos sais de cobre são azuis e lâmpadas de sódio amarelas.

Bohr e Heisenberg começaram a desenvolver uma teoria matemática desses fenômenos quânticos na década de 1920. A mecânica quântica de Heisenberg enumerou todos os estados quânticos permitidos e implicitamente supôs que os saltos entre eles são instantâneos – descontínuos, como diriam os matemáticos. “A noção de saltos quânticos instantâneos (…) tornou-se uma noção fundamental na Interpretação de Copenhague”, escreveu a historiadora da ciência Mara Beller.

Outro dos arquitetos da mecânica quântica, o físico austríaco Erwin Schrödinger, detestou essa ideia. Ele inventou o que inicialmente parecia ser uma alternativa à matemática de estados quânticos discretos de Heisenberg e saltos instantâneos entre eles. A teoria de Schrödinger representava partículas quânticas em termos de entidades semelhantes a ondas chamadas funções de onda, que mudavam apenas suavemente e continuamente ao longo do tempo, como suaves ondulações em mar aberto. As coisas no mundo real não mudam de repente, no tempo zero, pensou Schrödinger – “saltos quânticos” descontínuos eram apenas uma invenção da mente. Em um artigo de 1952 chamado “Existem saltos quânticos?“, Schrödinger respondeu com um firme “não”, sua irritação era muito evidente na maneira como ele os chamava de “idiotas quânticos”.

O argumento não era apenas sobre o desconforto de Schrödinger com a mudança repentina. O problema com um salto quântico também existia porque foi dito que ele acontecia em um momento aleatório – não dizendo coisa alguma sobre aquele momento em particular, sendo assim um efeito sem causa, um exemplo de aleatoriedade no coração da natureza. Schrödinger e seu grande amigo Albert Einstein não podiam aceitar que as chances e a imprevisibilidade reinassem no nível mais fundamental da realidade. Segundo o físico alemão Max Born, toda a controvérsia era, portanto, “não tanto uma questão interna da física, como uma de suas relações com a filosofia e o conhecimento humano em geral”. Em outras palavras, há muita coisa sobre a realidade (ou não) de saltos quânticos.

Vendo sem olhar

Para investigar mais, precisamos ver saltos quânticos um de cada vez. Em 1986, três equipes de pesquisadores relataram que elas aconteciam em átomos individuais suspensos no espaço por campos eletromagnéticos. Os átomos se moviam entre um estado “brilhante”, onde podiam emitir um fóton de luz, e um estado “escuro”, que não emitia, em momentos aleatórios, permanecendo em um estado ou outro por períodos entre alguns décimos de segundo e alguns segundos antes de saltar novamente. Desde então, tais saltos foram vistos em vários sistemas, desde fótons que mudam entre estados quânticos e átomos em materiais sólidos saltando entre estados magnéticos quantizados. Em 2007, uma equipe na França relatou saltos que correspondem ao que eles chamavam de “nascimento, vida e morte de fótons individuais”.

Nesses experimentos, os saltos de fato pareciam abruptos e aleatórios – não havia como dizer, mesmo com o sistema quântico sendo monitorado, quando eles aconteceriam, nem obter qualquer imagem detalhada de como um salto se parecia. A configuração da equipe de Yale, por outro lado, permitiu que eles antecipassem quando um salto estava chegando, depois ampliaram o zoom para examiná-lo. A chave para o experimento é a capacidade de coletar praticamente todas as informações disponíveis sobre ele, de modo que nenhum vaze para o ambiente antes que ele possa ser medido. Só então eles podem seguir saltos únicos detalhadamente.

Os sistemas quânticos que os pesquisadores usaram são muito maiores que os átomos, consistindo de fios feitos de um material supercondutor – às vezes chamados de “átomos artificiais”, porque eles têm estados de energia quântica discretos análogos aos estados de elétrons em átomos reais. Saltos entre os estados de energia podem ser induzidos pela absorção ou emissão de um fóton, assim como são para elétrons em átomos.

Michel Devoret (esquerda) e Zlatko Minev em frente ao criostato segurando o experimento. Crédito: Instituto Yale Quantum.

Devoret e seus colegas queriam assistir a um único átomo artificial saltar entre seu estado de energia mais baixa (terra) e um estado excitado energeticamente. Mas eles não conseguiram monitorar essa transição diretamente, porque fazer uma medição em um sistema quântico destrói a coerência da função de onda – seu comportamento suave e ondulatório – do qual o comportamento quântico depende. Para observar o salto quântico, os pesquisadores tiveram que manter essa coerência. Caso contrário, eles “colapsariam” a função de onda, o que colocaria o átomo artificial em um estado ou outro. Esse é o problema exemplificado pelo gato de Schrödinger, que supostamente é colocado em uma “superposição” quântica coerente dos estados vivo e morto, mas torna-se apenas um ou outro quando observado.

Para contornar este problema, Devoret e colegas empregam um truque inteligente envolvendo um segundo estado animado. O sistema pode alcançar esse segundo estado a partir do estado fundamental, absorvendo um fóton de uma energia diferente. Os pesquisadores sondam o sistema de uma forma que só lhes diz se o sistema está neste segundo estado “brilhante”, assim chamado porque é o que pode ser visto. O estado onde os pesquisadores estão realmente procurando saltos quânticos é, enquanto isso, o estado “escuro” – porque permanece oculto da visão direta.

Os pesquisadores colocaram o circuito supercondutor em uma cavidade ótica (uma câmara na qual os fótons do comprimento de onda na direita podem saltar ao redor) de modo que, se o sistema estiver no estado brilhante, a maneira como a luz se espalha na cavidade muda. Toda vez que o estado luminoso decai pela emissão de um fóton, o detector emite um sinal semelhante ao “clique” de um contador Geiger.

A chave aqui, disse Oliver, é que a medição fornece informações sobre o estado do sistema sem sondar esse estado diretamente. Na verdade, ele pergunta se o sistema está ou não no estado básico e escuro ao mesmo tempo. Essa ambigüidade é crucial para manter a coerência quântica durante um salto entre esses dois estados. A esse respeito, disse Oliver, o esquema que a equipe de Yale usou está intimamente relacionado àqueles empregados para correção de erros em computadores quânticos. Lá, também, é necessário obter informações sobre bits quânticos sem destruir a coerência na qual a computação quântica se baseia. Novamente, isso é feito não olhando diretamente para o bit quântico em questão, mas sondando um estado auxiliar acoplado a ele.

A estratégia revela que a medição quântica não é sobre a perturbação física induzida pela sonda, mas sobre o que você sabe (e o que você deixa desconhecido) como resultado. “A ausência de um evento pode trazer tanta informação quanto a sua presença”, disse Devoret. Ele compara com a história de Sherlock Holmes em que o detetive infere uma pista vital do “incidente curioso” em que um cachorro não fazia nada durante a noite. Emprestando de uma diferente (mas freqüentemente confusa) história de Holmes relacionada a cães, Devoret chama de “O Cão de Baskerville encontra o Gato de Schrödinger”.

Pegando um salto

A equipe de Yale viu uma série de cliques do detector, cada qual significando uma queda do estado de brilho, chegando tipicamente a cada poucos microssegundos. Esse fluxo de cliques foi interrompido aproximadamente a cada poucas centenas de microssegundos, aparentemente ao acaso, por um hiato no qual não havia cliques. Depois de um período de aproximadamente 100 microssegundos, os cliques continuaram. Durante esse tempo silencioso, o sistema presumivelmente passou por uma transição para o estado escuro, já que é a única coisa que pode impedir o movimento de vaivém entre os estados.

Então, aqui, nessas trocas de “clique” para “sem clique”, os estados são os saltos quânticos individuais – assim como aqueles vistos nas experiências anteriores de átomos aprisionados e similares. No entanto, neste caso, Devoret e seus colegas puderam ver algo novo.

Antes de cada salto para o estado escuro, normalmente haveria um curto tempo onde os cliques pareciam suspensos: uma pausa que agia como um prenúncio do salto iminente. “Assim que a duração de um período sem clique excede significativamente o tempo típico entre dois cliques, você tem um bom aviso de que o salto está prestes a ocorrer”, disse Devoret.

Esse aviso permitiu que os pesquisadores estudassem o salto em maior detalhe. Quando eles viram essa breve pausa, eles desligaram a entrada de fótons que conduziam as transições. Surpreendentemente, a transição para o estado escuro ainda aconteceu mesmo sem fótons acionando-o – é como se, no momento em que a breve pausa começasse, o destino já estivesse traçado. Portanto, embora o salto em si ocorra em um momento aleatório, também há algo determinista em sua abordagem.

Com os fótons desligados, os pesquisadores aumentaram o zoom com uma resolução de tempo refinada para vê-lo se desdobrar. O salto quântico repentino de Bohr e Heisenberg acontece instantaneamente? Ou acontece sem problemas, como Schrödinger insistiu que deveria? E se sim, como?

A equipe descobriu que os saltos são de fato graduais. Isso porque, embora uma observação direta possa revelar o sistema apenas como estando em um estado ou outro, durante um salto quântico, o sistema está em uma superposição, ou mistura, desses dois estados finais. À medida que o salto progride, uma medida direta seria cada vez mais provável de produzir o estado final em vez do inicial. É um pouco como a maneira como nossas decisões podem evoluir com o tempo. Você só pode ficar em uma festa ou deixá-la – é uma escolha binária – mas à medida que a noite avança e você se cansa, a pergunta “Você vai ficar ou ir embora?” torna-se cada vez mais provável.

As técnicas desenvolvidas pela equipe de Yale revelam a mudança de mentalidade de um sistema durante um salto quântico. Usando um método chamado reconstrução tomográfica, os pesquisadores puderam descobrir as ponderações relativas dos dois estados na superposição. Eles viram esses pesos mudarem gradualmente ao longo de um período de alguns microssegundos. Isso é muito rápido, mas certamente não é instantâneo.

Além disso, esse sistema eletrônico é tão rápido que os pesquisadores poderiam “pegar” a troca entre os dois estados conforme acontecem, depois invertê-lo enviando um pulso de fótons para a cavidade para impulsionar o sistema de volta ao estado escuro. Eles podem persuadir o sistema a mudar de ideia e permanecer na festa.

Flash de compreensão

A experiência mostra que os saltos quânticos “não são instantâneos se olharmos bem de perto”, disse Oliver, “mas são processos coerentes”: eventos físicos reais que se desdobram com o tempo.

A gradualidade do “salto” é exatamente o que é previsto por uma forma de teoria quântica chamada teoria das trajetórias quânticas, que pode descrever eventos individuais como este. “É reconfortante que a teoria combine perfeitamente com o que é visto”, disse David DiVincenzo, especialista em informação quântica na Universidade de Aachen, na Alemanha, “mas é uma teoria sutil, e estamos longe de focarmos completamente nela”.

A possibilidade de prever saltos quânticos antes que eles ocorram, disse Devoret, os torna parecidos com as erupções vulcânicas. Cada erupção acontece de forma imprevisível, mas algumas grandes podem ser antecipadas, observando o período atipicamente quieto que as precede. “Até onde sabemos, esse sinal precursor [para um salto quântico] não foi proposto ou medido antes”, disse ele.

Devoret disse que a capacidade de detectar precursores de saltos quânticos pode encontrar aplicações em tecnologias de sensoriamento quântico. Por exemplo, “em medições de relógio atômico, alguém quer sincronizar o relógio com a freqüência de transição de um átomo, que serve como referência”, disse ele. Mas se você puder detectar logo no início se a transição está prestes a acontecer, em vez de ter que esperar que ela seja concluída, a sincronização pode ser mais rápida e, portanto, mais precisa a longo prazo.

DiVincenzo acha que o trabalho também pode encontrar aplicações na correção de erros para a computação quântica, embora ele veja isso como “muito longe da linha”. Para atingir o nível de controle necessário para lidar com tais erros, porém, será necessário uma coleta exaustiva de dados de medição – parecida com a coleta intensiva de dados na física de partículas, disse DiVincenzo.

O valor real do resultado não é, no entanto, nenhum benefício prático; é uma questão do que aprendemos sobre o funcionamento do mundo quântico. Sim, é aleatório – mas não, não é instantâneo. Schrödinger, com razão, estava certo e errado ao mesmo tempo.

CONTINUAR LENDO