Físicos separam uma partícula de suas propriedades

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/07/2014

"Eu já vi um gato sem sorriso, mas um sorriso sem gato..." Alice.
[Imagem: Vienna University of Technology]

O resultado desta e de várias pesquisas subsequentes foi questionado por uma nova interpretação. Veja na reportagem Partículas quânticas podem mesmo se separar de suas propriedades?

Este artigo foi mantido em sua forma original.

Gato quântico

Imagine uma bola rolando.

Agora imagine separar as duas coisas, a bola de um lado e o seu "rolamento" de outro.

Talvez seja mais fácil se lembrar do Gato que Ri, ou Gato Cheshire, o personagem de Alice no País das Maravilhas: o gato sumia, mas seu sorriso ficava.

Um sorriso sem gato, um giro sem bola - ainda que tudo pareça fantasia, agora se comprovou que isto é bem real no mundo da Física Quântica.

Físicos conseguiram pela primeira vez separar as propriedades de uma partícula da própria partícula.

O experimento mostrou que o momento magnético - também conhecido como spin, ou giro - de um nêutron pode ser medido de forma independente do próprio nêutron.

Esta é a primeira observação experimental de um novo paradoxo quântico batizado de "Paradoxo do Gato de Cheshire" - lembrando o já bem conhecido Gato de Schrodinger, que pode ficar vivo e morto ao mesmo tempo, ou em 101 outros estados simultaneamente.

A ideia básica de um Gato de Cheshire Quântico consiste em separar as propriedades de um objeto da sua localização física, de modo que os dois possam ser medidos em lugares diferentes.

Superposição

Enquanto na nossa experiência cotidiana os objetos são espacialmente ligados às suas propriedades, as leis da mecânica quântica permitem que as partículas assumam diferentes estados físicos ao mesmo tempo, um fenômeno conhecido como superposição.

Por exemplo, se um feixe de nêutrons é dividido em dois usando um cristal, os nêutrons individuais não precisam decidir qual dos dois caminhos tomar. Em vez disso, eles podem viajar ao longo de ambos os caminhos ao mesmo tempo, em uma superposição quântica - pelo menos até você tentar encontrá-los, quando então eles "colapsam" em um dos dois caminhos.

Como seu nome indica, os nêutrons não são eletricamente carregados, mas eles carregam um momento magnético - seu spin, ou orientação magnética, uma propriedade que descreve a força que um campo magnético externo exerce sobre a partícula.

O que Yuji Hasegawa e seus colegas da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria, fizeram agora foi forçar os nêutrons a viajar por um caminho diferente do seu momento magnético.

A partícula segue um caminho, mas sua propriedade vem pelo caminho oposto.
[Imagem: Tobias Denkmayr et al. - 10.1038/ncomms5492]

Partícula de um lado, propriedade do outro

O experimento começa com um feixe de nêutrons sendo dividido em duas partes por um interferômetro.

Em seguida, os spins dos nêutrons em cada um dos dois feixes são deslocados em diferentes direções: o feixe de nêutrons superior assume um spin paralelo à trajetória dos nêutrons, enquanto o spin dos nêutrons do feixe inferior aponta na direção oposta.

Quando os dois feixes são recombinados, o experimento se concentra apenas nos nêutrons que têm uma rotação paralela à sua direção de movimento - todos os outros são simplesmente ignorados, algo que os físicos chamam de "pós-seleção".

Esses nêutrons - com um spin paralelo à sua direção de movimento - devem claramente ter viajado pelo caminho superior, pois somente lá os nêutrons têm esse estado de spin.

As coisas ficam interessantes quando um campo magnético é usado para mudar ligeiramente o spin dos nêutrons em um dos feixes, já que, quando os dois feixes são recombinados, eles podem se amplificar ou se cancelar.

É exatamente isto o que se vê na medição se o campo magnético for aplicado ao feixe inferior - mas esta é a rota que os nêutrons selecionados no experimento nunca deveriam ter tomado. Se o campo magnético é aplicado ao feixe superior, ele não produz qualquer efeito no feixe recombinado.

"Ao longo de um dos caminhos, as próprias partículas acoplam-se ao nosso dispositivo de medição, mas somente o outro caminho é sensível ao acoplamento magnético do spin. O sistema se comporta como se as partículas estivessem espacialmente separadas de suas propriedades," conclui o físico Tobias Denkmayr.

Apesar do aspecto um tanto ameaçador, esta é a fonte de nêutrons do Instituto Laue-Langevin, onde o Gato Que Ri Quântico foi criado.
[Imagem: ILL]

Ruídos quânticos

Apesar de tudo muito estranho, detectar o sorriso e o gato em locais diferentes pode ter aplicações práticas.

Os pesquisadores afirmam que o mecanismo poderá ser usado para remover "ruídos" e melhorar a resolução de medições de alta precisão.

Por exemplo, recentemente se demonstrou que técnicas para superar a velocidade da luz não conseguem transmitir dados por conta desses ruídos. E uma equipe brasileira está lidando com as interferências para criar novos métodos para a troca de informações em computadores quânticos.

"Considere um sistema quântico que tenha duas propriedades: você quer medir a primeira com muita precisão, mas a segunda torna o sistema propenso a perturbações. As duas podem ser separadas usando um Gato Que Ri Quântico e, possivelmente, a perturbação pode ser minimizada," disse Stephan Sponar, outro membro da equipe.

Segundo o grupo, tudo indica que esta nova técnica pode ser aplicada a qualquer propriedade de qualquer objeto quântico - objetos que se comportam segundo os ditames da mecânica quântica, como átomos, fótons e partículas subatômicas.

Mais tópicos