Na década de 1920, a mecânica quântica, a teoria que fundamenta tudo, desde o comportamento dos átomos até a operação dos computadores quânticos, estava a caminho de ganhar ampla aceitação. Mas um mistério permanecia: às vezes objetos quânticos, como elétrons, átomos e moléculas, se comportam como partículas, outras como ondas. Às vezes, eles até se comportam como partículas e ondas ao mesmo tempo. Portanto, ao estudar esses objetos quânticos, nunca ficou claro qual abordagem os cientistas deveriam usar em seus cálculos.
Às vezes, os cientistas tinham que assumir que os objetos quânticos eram ondas para obter o resultado correto. Em outros casos, eles tiveram que assumir que os objetos eram na verdade partículas. Às vezes, qualquer uma das abordagens funcionava. Mas em outros casos, apenas uma abordagem produziu o resultado correto, enquanto a outra retornou um resultado falso. A história desse problema remonta a um longo caminho, mas experimentos recentes lançaram uma nova luz sobre essa velha questão.
História quântica
No experimento de dupla fenda de mesmo nome, conduzido pela primeira vez por Thomas Young em 1801, a luz se comportou como ondas. Neste experimento, um feixe de laser é direcionado para uma fenda dupla e, em seguida, o padrão resultante é observado. Se a luz consistisse em partículas, seria de esperar dois blocos de luz em forma de fenda. Em vez disso, o resultado são muitos pequenos blocos de luz dispostos em um padrão característico. Colocar uma fenda dupla no fluxo de água resultaria no mesmo padrão logo abaixo. Então esse experimento levou à conclusão de que a luz é uma onda.
Então, em 1881, Heinrich Hertz fez uma descoberta engraçada. Quando ele pegou dois eletrodos e aplicou uma voltagem suficientemente alta entre eles, apareceram faíscas. Isto é normal. Mas quando Hertz iluminou esses eletrodos, a voltagem da faísca mudou. Isso foi explicado pelo fato de que a luz tirou os elétrons do material do eletrodo. Mas, curiosamente, a velocidade máxima dos elétrons ejetados não mudava se a intensidade da luz mudasse, mas mudava com a frequência da luz. Este resultado seria impossível se a teoria das ondas fosse verdadeira. Em 1905, Albert Einstein teve uma solução: a luz era na verdade uma partícula. Tudo isso foi insatisfatório. Os cientistas preferem uma teoria que é sempre verdadeira a duas teorias que às vezes são verdadeiras. E se uma teoria é verdadeira apenas algumas vezes, pelo menos gostaríamos de poder dizer em que condições ela é verdadeira.
Mas este foi precisamente o problema com esta descoberta. Os físicos não sabiam quando considerar a luz ou qualquer outro objeto como uma onda e quando como uma partícula. Eles sabiam que algumas coisas causam comportamento ondulatório, como as bordas das fendas. Mas eles não tinham uma explicação clara de por que isso acontece ou quando usar qualquer teoria.
Este enigma é chamado dualismo de onda corpuscular, ainda está preservado. Mas um novo estudo pode lançar alguma luz sobre a situação. Cientistas do Instituto Coreano de Ciências Básicas mostraram que as propriedades da fonte de luz afetam o quanto é uma partícula e o quanto é uma onda. Com uma nova abordagem para estudar esse problema, eles abriram um caminho que pode até levar a melhorias na computação quântica. Ou tais esperanças.
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Como fazer partículas e ondas
No experimento, os cientistas usaram um espelho semirrefletivo para dividir o feixe de laser em duas partes. Cada um desses raios atinge o cristal, que por sua vez produz dois fótons. Um total de quatro fótons são emitidos, dois de cada cristal.
Os cientistas enviaram um fóton de cada cristal para o interferômetro. Este dispositivo combina duas fontes de luz e cria um padrão de interferência. Esse padrão foi descoberto pela primeira vez por Thomas Young em seu já mencionado experimento de duas fendas. Isso também é o que você vê quando joga duas pedras em um lago: ondas de água, algumas das quais se reforçam e outras se neutralizam. Em outras palavras, o interferômetro detecta a natureza ondulatória da luz.
Os caminhos dos outros dois fótons foram usados para determinar suas características corpusculares. Embora os autores do artigo não especifiquem como eles fizeram isso, geralmente é feito passando um fóton através de um material que mostra para onde o fóton foi. Por exemplo, você pode disparar um fóton através de um gás, que então acenderá onde o fóton passou. Ao focar na trajetória em vez do destino final, o fóton pode ser uma onda. Isso ocorre porque se você medir a localização exata do fóton em cada momento do tempo, ele será pontual e não poderá atingir a si mesmo.
Este é um dos muitos exemplos na física quântica em que uma medição afeta ativamente o resultado dessa medição. Portanto, nesta parte do experimento, o padrão de interferência no final da trajetória do fóton estava ausente. Assim, os pesquisadores descobriram como um fóton pode ser uma partícula. O desafio agora era quantificar quanto disso era uma partícula e quanto restava do caráter de onda.
Como os dois fótons do mesmo cristal são produzidos juntos, eles formam um único estado quântico. Isso significa que é possível encontrar uma fórmula matemática que descreva esses dois fótons simultaneamente. Como resultado, se os pesquisadores puderem quantificar quão fortes são a "parcialidade" e o "comprimento de onda" de dois fótons, essa quantificação pode ser aplicada a todo o feixe que atinge o cristal.
De fato, os pesquisadores conseguiram. Eles mediram a ondulação do fóton verificando a visibilidade do padrão de interferência. Quando a visibilidade era alta, o fóton era muito parecido com uma onda. Quando o padrão mal era visível, eles concluíram que o fóton deve ser muito parecido com uma partícula.
E essa visibilidade foi acidental. Foi o mais alto quando ambos os cristais receberam a mesma intensidade do feixe de laser. No entanto, se o feixe de um cristal fosse muito mais intenso do que o outro, a visibilidade do padrão tornava-se muito fraca e os fótons eram mais propensos a parecer partículas.
Este resultado é surpreendente porque na maioria dos experimentos a luz é medida apenas na forma de ondas ou partículas. Hoje, em vários experimentos, ambos os parâmetros foram medidos simultaneamente. Isso significa que é fácil determinar quanto de cada propriedade uma fonte de luz possui.
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Os físicos teóricos estão encantados
Este resultado corresponde à previsão feita anteriormente pelos teóricos. De acordo com a teoria deles, a forma ondulatória e corpuscular de um objeto quântico depende da pureza da fonte. Pureza neste contexto é apenas uma maneira elegante de expressar a probabilidade de que uma determinada fonte cristalina seja a que emite a luz. A fórmula é a seguinte: V2 + P2 = µ2, onde V é a visibilidade do padrão direcional, P é a visibilidade do caminho e µ é a pureza da fonte.
Isso significa que um objeto quântico como a luz pode ser semelhante a uma onda até certo ponto e a uma partícula até certo ponto, mas isso é limitado pela pureza da fonte. Um objeto quântico é semelhante a uma onda se um padrão de interferência for visível ou se o valor de V não for igual a zero. Além disso, é semelhante a uma partícula se o caminho for observável ou se P for diferente de zero.
Outra consequência dessa previsão é que a pureza é que, se o emaranhamento do caminho quântico for alto, a pureza será baixa e vice-versa. Os cientistas que conduziram o experimento mostraram isso matematicamente em seu trabalho. Ajustando a pureza dos cristais e medindo os resultados, eles conseguiram mostrar que essas previsões teóricas estavam de fato corretas.
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Computadores quânticos mais rápidos?
A conexão entre o emaranhamento de um objeto quântico e sua corpuscularidade e ondulação é particularmente interessante. Os dispositivos quânticos que poderiam alimentar a internet quântica são baseados em emaranhamento. A Internet quântica é uma analogia quântica do que a Internet é para computadores clássicos. Ao conectar muitos computadores quânticos e permitir que eles compartilhem dados, os cientistas esperam ganhar mais poder do que poderia ser alcançado com um único computador quântico.
Mas, em vez de enviar bits por uma fibra óptica, que é o que fazemos para alimentar a internet clássica, precisamos emaranhar qubits para formar a internet quântica. Ser capaz de medir o emaranhamento de uma partícula e a ondulação de um fóton significa que podemos encontrar maneiras mais simples de controlar a qualidade da internet quântica.
Além disso, os próprios computadores quânticos podem se tornar melhores usando o dualismo partícula-onda. De acordo com a proposta de pesquisadores da Universidade Tsinghua da China, é possível executar um pequeno computador quântico através de uma rede de múltiplas fendas para aumentar sua potência. Um pequeno computador quântico consistiria em alguns átomos que são usados como qubits, e esses dispositivos já existem.
Passar esses átomos através de uma rede de múltiplas fendas é muito semelhante a passar luz por uma fenda dupla, embora, é claro, um pouco mais complicado. Isso criará mais estados quânticos possíveis, que, por sua vez, aumentarão o poder do computador "disparado". A matemática por trás disso é muito complicada para explicar neste artigo, mas o resultado importante é que esse computador de dois quânticos pode ser melhor em computação paralela do que computadores quânticos convencionais. A computação paralela também é comum na computação clássica e basicamente se refere à capacidade de um computador realizar vários cálculos simultaneamente, tornando-o mais rápido em geral.
Portanto, embora seja uma pesquisa muito básica, as possíveis aplicações já estão no horizonte. No momento é impossível provar, mas essas descobertas podem acelerar os computadores quânticos e acelerar um pouco o surgimento da internet quântica.
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Muito fundamental, mas muito interessante
Tudo isso deve ser encarado com muito ceticismo. A pesquisa é sólida, mas também é muito básica. Como geralmente acontece em ciência e tecnologia, há um longo caminho desde a pesquisa básica até as aplicações do mundo real.
Mas pesquisadores da Coréia descobriram uma coisa muito interessante: o mistério do dualismo partícula-onda não desaparecerá tão cedo. Pelo contrário, parece estar tão profundamente enraizado em todos os objetos quânticos que é melhor usá-lo. Com a nova base quantitativa relacionada à pureza da fonte, isso ficará mais fácil.
Um dos primeiros casos de uso pode ocorrer na computação quântica. Como os cientistas mostraram, o emaranhamento quântico e o dualismo partícula-onda estão relacionados. Assim, em vez de emaranhamento, a quantidade de ondulação e corpuscularidade poderia ser medida. Isso poderia ajudar os cientistas que trabalham na criação de uma internet quântica. Ou você pode usar dualidade para melhorar os computadores quânticos e torná-los mais rápidos. De qualquer forma, parece que tempos quânticos emocionantes estão chegando.
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Obrigado pelo artigo! "Possíveis programas já estão no horizonte" - provavelmente não programas, mas aplicativos?
Obrigado, muito interessante. Mais tais artigos.
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