Espaço-tempo curvo é simulado junto com mecânica quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/05/2023

Ao fundo, o efeito da lente gravitacional, explicado pela relatividade. As partículas quânticas permitem estudar efeitos análogos em laboratório.
[Imagem: NASA/TU Wien]

Do relativístico ao quântico

Físicos da Universidade de Viena, na Áustria, usaram um tipo especializado de processador quântico - um simulador quântico - para criar um análogo em laboratório do espaço-tempo curvo descrito por Einstein.

A ideia básica por trás de um simulador quântico é simples: Muitos sistemas físicos são semelhantes; mesmo que sejam tipos totalmente diferentes de partículas ou sistemas físicos, ou em escalas diferentes, que à primeira vista pouco tenham a ver uns com os outros, esses sistemas podem obedecer às mesmas leis e equações em um nível mais profundo.

Isso significa que se pode aprender sobre um determinado sistema estudando outro mais simples e controlável.

Por exemplo, um dos maiores enigmas da ciência na atualidade está na unificação da Teoria da Relatividade, que funciona bem quando você quer explicar fenômenos em escala cósmica, como as ondas gravitacionais, e a Teoria Quântica, que funciona bem ao descrever fenômenos na escala das partículas, como o comportamento de elétrons individuais em um átomo. Essa longamente sonhada "teoria quântica da gravidade" é considerada uma das importantes tarefas não resolvidas da ciência.

Realidade cósmico-microscópica

Entre as razões que explicam essa agenda em aberto estão o fato de que a a matemática envolvida é altamente complicada e que é quase impossível pensar em experimentos adequados que reúnam os dois reinos.

É aí que entra o simulador quântico: Tudo o que se tem a fazer é criar situações em que fenômenos da Teoria da Relatividade desempenhem um papel importante, como um espaço-tempo curvado por massas pesadas, e, ao mesmo tempo, efeitos quânticos se tornem visíveis, como a natureza dual da luz, que pode ser uma partícula e uma onda.

Foi justamente isso que Mohammadamin Tajik e seus colegas conseguiram fazer agora: Eles comprovaram que seu simulador quântico produz um análogo válido dessa realidade cósmico-microscópica.

"Agora conseguimos mostrar que podemos produzir efeitos dessa maneira, que podem ser usados para se assemelhar à curvatura do espaço-tempo," disse Tajik.

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Esquema da montagem do simulador quântico (DMD é um microespelho digital).
[Imagem: Mohammadamin Tajik - 10.5281/zenodo.7686404]

Lente gravitacional com partículas quânticas

No vácuo, a luz se propaga ao longo de um chamado "cone de luz". A velocidade da luz é constante; logo, em tempos iguais, a luz viajará a mesma distância em todas as direções nesse cone.

No entanto, se a luz for influenciada por massas pesadas, como a gravidade de um grande corpo celeste, esses cones de luz são dobrados, fazendo com que os caminhos que a luz percorre não sejam mais perfeitamente retos. Isso é chamado de "efeito de lente gravitacional".

O que a equipe demonstrou agora é que o mesmo fenômeno pode ser observado usando nuvens de átomos ultrafrios. A diferença é que, em vez da velocidade da luz, o que se deve examinar é a velocidade do som, que é governada por quasipartículas quânticas conhecidas como fônons.

"Agora temos um sistema no qual existe um efeito que corresponde à curvatura do espaço-tempo, ou à lente gravitacional, mas, ao mesmo tempo, é um sistema quântico que pode ser descrito com as teorias quânticas de campo," explicou Tajik. "Com isso, temos uma ferramenta completamente nova para estudar a conexão entre a Relatividade e a Teoria Quântica."

Os buracos de minhoca também já foram simulados usando um computador quântico.
[Imagem: inqnet/A. Mueller/Caltech]

Reproduzindo condições muito complicadas

Os experimentos mostraram que a forma dos cones de luz, o efeito de lente, as reflexões e outros fenômenos podem ser demonstrados nessas nuvens atômicas, exatamente como nos sistemas cósmicos relativísticos.

Isso não é apenas interessante para gerar novos dados para pesquisas teóricas básicas, mas também para a física do estado sólido. Por exemplo, a busca por novos materiais também se depara com questões que têm uma estrutura semelhante e podem, portanto, ser respondidas por esses experimentos.

Em termos práticos, o simulador quântico pode recriar situações físicas tão complicadas que não podem ser calculadas nem mesmo com supercomputadores. Por isso, a equipe espera encontrar novos fenômenos totalmente desconhecidos até agora, que também ocorram em uma escala cósmica e relativística, mas que só podem ser detectados olhando para as partículas fundamentais.

"Agora queremos controlar melhor essas nuvens atômicas para determinar dados ainda mais abrangentes. Por exemplo, as interações entre as partículas continuam podendo ser alteradas, de uma maneira muito direcionada," disse o professor Jorg Schmiedmayer.

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