Máquina quântica é escolhida a invenção do ano

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Pela primeira vez, uma equipe de cientistas conseguiu colocar um objeto grande o suficiente para ser visível a olho nu em um estado quântico...

Pela primeira vez, uma equipe de cientistas conseguiu colocar um objeto grande o suficiente para ser visível a olho nu em um estado quântico misto de movimento e não em movimento.





Até hoje, o mundo quântico e o mundo macroscópico, dos grandes objetos do cotidiano, eram apartados. Mas 2010 deverá entrar para a história da física como o ano que os efeitos das leis da físicia quântica foram comprovados por um objeto grande o bastante para ser visto a olho nu.

O artigo que relata o experimento foi publicado em março na revista Nature, mas o delicado aparato construído foi curiosamente apontada como sendo a máquina do ano pela revista científica concorrente, a Science.

Os cientistas Aaron O'Connell, John Martinis e Andrew Cleland demonstraram que um ressonador mecânico, uma pequena fita metálica que pode vibrar livremente, que fora resfriada até o seu estado fundamental de energia (ground state), funciona em nível macroscópico conforme previsto na mecânica quântica.


O nível fundamental de energia equivale ao menor nível de vibração previsto pela mecânica quântica. Uma partícula nunca chega a ter um nível zero de energia, o que lhe daria uma velocidade e uma posição definidas, contrariando o princípio da incerteza de Heisenberg. Assim, só o fato de colocar algo no seu estado fundamental de energia já seria motivo suficiente para considerar essa pesquisa histórica.

Mas os investigadores foram além. O ressonador foi ligado fisicamente a um qubit supercondutor, um sistema quântico controlável com grande precisão, utilizado nas pesquisas dos computadores quânticos. O conjunto foi então resfriado até próximo ao zero absoluto.

Utilizando o qubit como um termômetro quântico, os pesquisadores demonstraram que o ressonador mecânico não continha nenhuma vibração extra. Ou seja, ele foi resfriado até um nível equivalente ao seu estado fundamental de energia.

Com o ressonador mecânico o mais próximo possível de estar perfeitamente parado, onde parado significa cessar até as oscilações dos seus átomos, os cientistas adicionaram a ele um único quantum de energia, um fónon, a menor unidade física de vibração mecânica, induzindo o menor grau de excitação possível no sistema.

Os pesquisadores então passaram a observar o conjunto conforme esse quantum de energia circulava entre o qubit e o ressonador mecânico. Ao trocar essa unidade fundamental de energia, o qubit e o ressonador se tornaram quanticamente entrelaçados, o que significa que qualquer alteração no estado quântico de um deles será imediatamente sentido no outro.



Em termos práticos, o ressonador respondeu precisamente conforme previsto pela teoria da mecânica quântica, quando os cientistas mediam a energia no qubit, o ressonador mecânica "escolhia" o estado vibracional no qual deveria permanecer.

Medições seguidas mostraram que os resultados seguem exatamente as previsões das probabilidades da mecânica quântica.

Em outro teste, os cientistas colocaram o ressonador mecânico em superposição quântica, um estado no qual ele tem um estado de excitação, ou vibração, que é simultaneamente igual a zero e igual a um, as duas coisas ao mesmo tempo.

Este é o equivalente energético de uma partícula estar em dois lugares ao mesmo tempo.

Ou seja, o ressonador vibrava e não vibrava ao mesmo tempo provando que os princípios da mecânica quântica podem se aplicar ao movimento de objetos macroscópicos, assim como partículas atômicas e subatômicas.

Esta é uma validação importante da teoria quântica, assim como um impulso significativo ao campo da nanomecânica.
Andrew Cleland. Pesquisador


Mas não é de fato possível ver o efeito (física quântica tem muita semelhança com o espiritismo :-P) porque o simples fato de olhar para o ressonador tira-o da superposição, da mesma forma que a medição de um elétron colapsa sua função de onda e o faz decidir-se por uma posição.

O simples olhar para o ressonador faz com que ele escolha entre vibrar ou não vibrar.


A expansão e a contração do ressonador ocorria 6 bilhões de vezes por segundo


Tudo ocorre em uma escala muito pequena. A temperatura na qual ele funciona é de apenas 25 milikelvins e seu efeito dura apenas alguns nanossegundos, já que ele é afetado pelas mais sutis influências do mundo ao seu redor.

A diferença com os experimentos anteriores da mecânica quântica é que a minúscula fita metálica mede 60 micrômetros de comprimento, grande o suficiente para ser vista a olho nu.

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