“Com o emaranhamento, parte da informação de cada onda particular é perdida, mas a informação global do sistema se preserva, de forma compartilhada”. (M. Martinelli). “A manutenção do movimento constitutivo de um corpo (sua “inércia“) transforma-se na condição fundamental para conservação de sua própria identidade”…(Thomas Hobbes)
a) Arte do entrelaçamento (jun/2009)
O “emaranhamento quântico” é visto como uma “base“ para futuras tecnologias…tipo: computação quântica, criptografia, e teletransporte… Exprime um ‘fenômeno intrínseco’ da mecânica quântica, que faz 2 ou mais partículas … mesmo sem aparente comunicação física entre si… compartilhar suas propriedades. – Em 2007, um estudo coordenado por Luiz Davidovich … UFRJ, publicado na “Science”, demonstrou que o emaranhamento pode de repente desfazer o…”elo quântico“…entre suas partículas.
A influência do ambiente sobre uma das partículas de um “sistema emaranhado“, foi demonstrada por cientistas brasileiros, num experimento com fótons…utilizando um método conhecido como “tomografia quântica”…Mais tarde, investigando condições precisas em que para 2 feixes de laser ocorre uma ‘morte súbita’ do ‘emaranhamento’, físicos da USP mostraram que é possível gerar feixes sujeitos ao “desentrelaçamento”, bem como “estados emaranhados estáveis”, não sujeitos à uma “morte súbita“.
Tomografia quântica da morte súbita “Demos um pequeno passo ao entendimento da dinâmica do emaranhamento rumo à futura construção de…’sistemas quânticos’…mais robustos e estáveis”.
Em 20 de abril de 2006, uma equipe do ‘Grupo de Óptica Quântica’ do Instituto de Física da UFRJ publicou um artigo na conceituada ‘Nature‘ em que relatava a 1ª medição direta de um dos fenômenos mais estranhos/fascinantes do mundo quântico…o assim chamado ‘emaranhamento‘, ou ‘entrelaçamento‘ de partículas – como átomos, elétrons, ou partículas elementares de luz (fótons). – Em 27/04/2007… os pesquisadores brasileiros emplacaram outro importante artigo, sobre o mesmo tema. Nas páginas da ‘Science’, eles mostraram como o “emaranhamento” pode repentinamente desaparecer…através de um fenômeno conhecido como “morte súbita“…Agora, a mesma equipe desta vez formulou, e demonstrou uma lei…descrevendo experimentalmente a “dinâmica do entrelaçamento”.
Numa linguagem mais coloquial, o que os físicos do Rio de Janeiro fizeram foi criar uma “equação geral” que lhes permite estimar com precisão, e de modo simples, a perda de emaranhamento de um sistema formado por duas partículas, quando uma delas sofre os efeitos deletérios do ambiente – tais como atrito… ou temperatura. – O novo método prescinde de reconstruir o ‘estado final’ do sistema emaranhado; uma tarefa difícil de se obter, e com resultados imprecisos; como assim explica o físico Luiz Davidovich (UFRJ):
“Até agora só existia uma equação, proposta num trabalho teórico publicado no ano passado na revista ‘Nature Physics’, para descrever a dinâmica do ‘emaranhamento’ num caso particular e idealizado…do estado inicial do sistema totalmente conhecido. Essa nova equação é uma generalização da anterior – servindo também a situações mais próximas do real…quando há uma incerteza sobre o estado inicial do sistema.”
“Equação do desentrelaçamento”
Definido por Albert Einstein como uma “ação fantasmagórica à distância”… – o ‘emaranhamento quântico‘… é um fenômeno estranho ao mundo da física clássica newtoniana – em que vivemos. Como que por mágica…ele faz com que um conjunto de partículas elementares compartilhe certas características… até mesmo sem ‘ligação física‘ entre elas.
Se, em vez de 2 partículas elementares, tivermos um sistema composto de 2 dados emaranhados… — esse bizarro conceito do universo quântico fica mais fácil de ser entendido. — Por apresentarem essa forte correlação…quando jogados…os dados apresentam sempre o mesmo resultado; a soma de seus valores, é por exemplo 10.
O problema … é não ser possível determinar as propriedades de ‘cada uma’ das partículas entrelaçadas; apenas aquelas do sistema global…O resultado final do sistema é conhecido, facilmente mensurável – mas se ignora…qual combinação numérica (5 e 5, 7 e 3, 8 e 2, ou outra qualquer) levou a essa soma…Porém, como os dados estão entrelaçados, quando se determina o valor de um deles…por serem complementares, descobre-se também o outro.
No experimento descrito agora na ‘Science’… a equipe de Davidovich gerou – por meio da emissão de um feixe de laser sobre um cristal — pares de fótons emaranhados, em relação a um de seus parâmetros físicos… a polarização (direção espacial, vertical ou horizontal, em que seu campo eletromagnético vibra). Outro parâmetro dos fótons… o ‘momentum‘ (associado à direção de propagação; seu percurso no espaço) atuou no experimento como ambiente externo ao sistema…Os pesquisadores perceberam que ao se produzir interação entre o ‘momentum’ de um dos fótons, e a ‘polarização’ — o “grau de emaranhamento” do sistema era reduzido; concluindo daí que sua equação explicava essa “perda de coerência”.
b) Novas luzes sobre a “morte súbita” (out/2010) “No contexto das ‘comunicações óticas‘… ‘perdas‘ costumam ser o ‘pior inimigo’. Mostramos nesse estudo que estados emaranhados robustos não passíveis de morte súbita podem ser gerados – assim como estados sujeitos ao desentrelaçamento“.
Recentes estudos realizados por cientistas da USP, ajudaram a ampliar o conhecimento sobre o…“efeito de morte súbita” – um dos principais limitantes para a aplicação do fenômeno do ‘emaranhamento quântico‘. Segundo Paulo Nussenzveig (Instituto de Física/USP)… um dos autores do estudo – o emaranhamento pode ser frágil a ponto de desaparecer…se os feixes que se propagam forem submetidos a perdas; e complementa:
“Mesmo na situação mais simples possível, com o uso de apenas 2 feixes de laser, o desentrelaçamento total só pode ocorrer com perdas parciais”.
A partir de um tratamento teórico do problema, foi possível estabelecer uma fronteira entre os estados robustos, e frágeis do emaranhamento… – e assim, saber de antemão…se um estado é ‘estável’, ou não. Já de acordo com Marcelo Martinelli… também do Instituto de Física/USP, um 1º trabalho publicado na ‘Science‘…em 2009… – mostrou que o efeito de “morte súbita” no emaranhamento se apresentava, não só em “sistemas discretos“ (com um conjunto finito de resultados possíveis), mas também em ‘macrossistemas‘ de “variáveis contínuas“. Naquele estudo, foi gerado pela primeira vez um ‘emaranhamento quântico’ de 3 feixes de luz de frequências (cores) diferentes. – Esse foi um feito importante…mas, já era previsto…A surpresa mesmo…foi observar que aquele emaranhamento poderia então desaparecer… – por “perdas finitas”.
“Desentrelaçamento” por perdas finitas
Os resultados da pesquisa abrem caminho para estudos sobre ‘teletransporte quântico‘, que é o objetivo fim do projeto coordenado por Martinelli… Segundo o cientista, certas propriedades quânticas podem enfraquecer – ao longo do tempo… ao interagirem com sistemas externos… – Contudo, elas ainda persistem… mesmo no limite observacional. No caso do emaranhamento, porém…isso não ocorre – pois…quando há perdas finitas, como, por exemplo… na propagação por uma certa distância – seja em fibra ótica… ou ao ar livre… – o sistema pode evoluir para um… “estado separável“… – perdendo o emaranhamento; e podemos declarar, com efeito, que o sistema está “desentrelaçado”.
No trabalho de 2009…os pesquisadores observaram o efeito da ‘perda de coerência‘, mas não sabiam se era devido à “complexidade intrínseca” do experimento com 3 campos emaranhados…Mas agora, explicou Martinelli:
“Voltamos um passo atrás no sistema, observando apenas ‘feixes gêmeos’ gerados no oscilador paramétrico ótico. Estudando o que ocorre no sistema mais simples, vemos que… – mesmo nesse caso… pode haver desentrelaçamento por perdas finitas. Isto é, o emaranhamento pode ser perdido… mesmo no sistema mais simples do tipo laser”.
“Aplicações práticas”… “Existem diversas propostas recentes – para o emprego de ‘propriedades quânticas’ no processamento da informação, dentre elas o uso de variáveis eletromagnéticas contínuas”.
A luz é considerada o meio ideal para transportar a informação de um ponto a outro… seja entre 2 estações remotas, seja entre 2 “sítios” dentro de um chip óptico… Mas, ao longo da propagação, vemos que a interação com o sistema, por meio da atenuação do campo, pode destruir o emaranhamento utilizável… – Isso implica cuidados que devem ser tomados no projeto de um sistema quântico de processamento de informação…como frisou Martinelli:
(Instituto de Física – USP)
“Ao gerar feixes… — tanto ‘robustos’, quanto ‘instáveis‘… – sujeitos à ação do ‘desentrelaçamento‘ … o trabalho será importante no desenvolvimento de dispositivos fotônicos capazes controlar a luz… – a convertendo em ‘sinais elétricos’… – ou…vice-versa…
Desse modo então ampliamos nosso tratamento àqueles sistemas mais ‘complexos‘, estudando a dinâmica do emaranhamento nesses sistemas”.
O controle sobre as propriedades de “emaranhamento” é importante para a realização de uma das tarefas básicas em processamento quântico de informação…o ‘teletransporte‘. Armazenar, transmitir e processar informação explorando as inusitadas propriedades do mundo quântico é uma das apostas da informática para o século XXI. Contudo, ainda há muita pesquisa básica a se aplicar… na concretização de um PC movido a átomos/fótons.
c) Recuperando … “informações quântico-ambientais” (dez/2012) “Nossa ideia é tentar entender o emaranhamento como uma grandeza física qualquer…como energia ou velocidade, a fim de estabelecermos suas leis de evolução. Apesar de ainda não termos realizado isso…vimos que é possível.”
Pergunte a um físico sobre de que é feito o Universo e provavelmente ouvirá que tudo, das estrelas aos seres vivos – é formado por partículas atômicas…que apresentam um comportamento bastante exótico, descrito à perfeição pelas leis da mecânica quântica. No dia a dia não se notam as “propriedades estranhas” dessas partículas, porque elas interagem com o ambiente ao redor… – Este meio no qual as partículas se encontram imersas, exatamente por ser muito complexo, absorve essas características quânticas, e as dissipa… irremediavelmente. Perdidas essas propriedades, os componentes mais elementares da matéria passam a se comportar … como qualquer “objeto observável”.
Porém, em um experimento com partículas de luz realizado meses atrás na UFRJ – um grupo de físicos brasileiros provou que nem sempre a “informação quântica” que chega ao ambiente é perdida para sempre. Ou, ao menos, não imediatamente…Sob condições especiais, parte da informação é retida, podendo até ser recuperada… disse Davidovich, que com Paulo Ribeiro e Stephen Walborn coordenou os trabalhos. E ele ainda explica:
“É como se a interação da partícula com o entorno deixasse uma…impressão digital no ambiente”.
Apresentada na edição de outubro da revista ‘Physical Review Letters‘ – a constatação de que a perda de informação é incompleta… pode atrair o interesse de físicos e especialistas em teoria da informação por 2 motivos…O 1º é de ordem prática. Como a informação não se esvai completamente, nem de uma só vez — isso simplificaria a construção de sistemas mais estáveis, que permitam usá-la para cálculo; como no caso do ‘computador quântico’; ou, para uma transmissão com mais segurança … por meio da “criptografia quântica“.
Conhecer melhor como as partículas atômicas interagem com o meio pode contribuir para estabelecer os limites… – de tamanho, massa, ou energia – que separam o mundo clássico, do quântico. Em outras palavras, saber até que ponto valem as ‘leis da mecânica quântica’. Essa, a propósito, é uma questão tão perturbadora quanto antiga. Segundo os físicos nada nessa teoria…que começou a ser formulada há pouco mais de um século, indica haver esse limite… – Assim…se as partículas “individualmente” apresentam características quânticas provadas e comprovadas pelos experimentos já realizados, tudo o que é feito de partículas (plantas, animais, planetas, estrelas…) também deveria ter um comportamento quântico.
Decoerência x Interferência quântica
“Há consenso entre os físicos… da condição do mundo ser quântico; apenas não se sabe a forma de recuperar o clássico…a partir de uma descrição puramente quântica”…(Pelo menos não de modo que a possível solução, aos olhos de um leigo, não pareça ‘mágica’). Ou seja, não há como reproduzir o clássico, sem perder informações…sobre o quântico.
Com efeito, à medida que a sofisticação da mecânica quântica desconectava o mundo das partículas…da realidade acessível às pessoas – diversas tentativas de reconciliação foram propostas. Desde o mero ‘ato de observar’ (eliminando a superposição de estados, ou interferência quântica) de Max Born… até a explicação mais aceita de… – ‘por que não se observam propriedades quânticas em objetos macroscópicos’…apresentada no início dos anos 1970 pelo físico Heiz-Dieter Zeh… Ele teria observado que os sistemas macroscópicos que compõem o mundo clássico… – regido pelas leis da física de Newton, jamais estão isolados do ambiente, com o qual interagem continuamente. Por isso, esses sistemas não poderiam ser descritos por “equações de Schrödinger”, aplicáveis apenas a “sistemas fechados”. A consequência dessa conclusão foi verificada – tempos mais tarde por Wojciech Zurek, físico polonês do “Los Alamos National Laboratory” (LANL). Nessa interação – a informação do sistema quântico escapa para o ambiente… por meio de um fenômeno que Zurek chamou de “Decoerência”… (propriedade da perda de “coerência”.)
Um teste clássico da física, o experimento da fenda dupla que Thomas Young usou há mais de 200 anos para investigar se a luz é composta de ondas ou partículas…(a mecânica quântica demonstra que é simultaneamente ambas)…pode nos ajudar nessa compreensão.
Especulações… sobre a “natureza da luz”, remontam à Antiguidade. Por volta da 2ª metade do século XVII, 2 tipos de teorias haviam se estabelecido – uma, tendo por base ‘partículas‘, e outra… sustentando que a luz era transmitida por…’ondas‘… assim como o som. – Teorias tanto sobre ondas quanto sobre corpúsculos podiam explicar a ‘reflexão’ e a ‘refração’. O teste decisivo seria ‘difração‘, e ‘interferência‘. A experiência da dupla fenda de Thomas Young realizada em 1800 prova após um século de debates, uma “luz ondulatória”.
Nesta experiência, um feixe de laser atravessa 2 fendas estreitas, separadas por fração de milímetro. – O que vemos é uma série de faixas claras e escuras…chamadas “franjas de interferência“. Por ter natureza ondulatória, tal qual ondas na superfície de um lago, a luz se recombina como se a cada fenda correspondesse uma fonte de luz. — Quando uma crista de onda encontra outra, elas se somam, gerando uma crista mais alta…e, quando 2 vales se encontram, também. Todavia, quando uma crista coincide com um vale, por um efeito destrutivo, se anulam…A combinação de cristas e vales produz faixas iluminadas e escuras, que se intercalam…resultando nas “franjas de interferência”…E, George Matsas, físico teórico da Unesp, propõe como definição para explicar esse conceito quântico, que:
“Coerência é a propriedade que os sistemas têm de produzir esse padrão de interferência”.
Porém, os físicos descobriram que, o que acontece com as ondas também ocorre com átomos ou partículas atômicas como os elétrons. Lançados um a um, aleatoriamente, contra o 1º anteparo… os átomos produzem padrão de interferência similar ao da luz. Para a mecânica quântica…isso só se explica se cada átomo passar, simultaneamente, pelas 2 fendas (‘propriedade ondulatória’)…Diversos experimentos já demonstraram que quando se usa qualquer tipo de detetor para tentar saber por qual das 2 fendas a partícula de fato passou…a resposta é sempre única… a partícula passa pela fenda da direita, ou da esquerda. Entretanto, quando esse tipo de medição é feita…a franja de interferência desaparece do segundo anteparo… – e assim… – perde-se a “coerência”.
Essa 2ª medição…(como uma abertura da caixa para espiar o ‘gato‘) é considerada uma…”interação do sistema com o ambiente”… Antes isolado, o sistema mantinha comportamento quântico. Nesse estado, o fóton, ou elétron (por exemplo) podiam passar pelas 2 fendas ao mesmo tempo. Desfeita a coerência, tal capacidade some; e as partículas assumem comportamento clássico (atravessam apenas uma das 2). Nessa transição ao mundo clássico perde-se informação quântica, como a que permitia à partícula estar em 2 lugares ao mesmo tempo (ou, o gato…morto/vivo).
Já em um artigo publicado em 2002 na “Los Alamos Science“…revista de divulgação dedicada a temas da fronteira da ciência… o físico teórico Wojciech Zurek comentou: “Uma forma de entender a existência objetiva induzida pelo ambiente…é reconhecer que os observadores…em especial…os humanos – não medem nada diretamente. Na verdade, a maior parte dos dados que obtemos sobre o universo é adquirida, quando informações sobre os sistemas que nos interessam são interceptadas pelo ambiente”.
Para Zurek…a ‘decoerência‘ ocorre porque o ambiente faz medições sobre os sistemas quânticos o tempo todo. Assim como a tentativa de descobrir por qual fenda passou o elétron, essas medições eliminam informações… ou, estados quânticos mais frágeis, e deixam apenas os mais estáveis…que são aqueles que se percebem no mundo clássico. A essa destruição seletiva de informação, Zurek deu o nome de ‘darwinismo quântico’.
Na fronteira…dos 2 domínios “Efeitos quânticos foram observados em objetos tão grandes como um buckyball (fulereno), mas não, em vírus. – Tamanho pode não ser um limite para se entrar no “mundo quântico” — desde que um objeto se mantenha isolado do ambiente”. 
Em 1900, Max Planck chegou a uma conclusão – que levaria ao desenvolvimento de toda a mecânica quântica. Ele verificou que, na natureza a energia era trocada entre átomos e radiação em quantidades discretas (“pacotes”) que ele chamou de “quanta” – plural de “quantum”. Já no mundo macroscópico, fótons…como os vindo das estrelas, colidem o tempo todo com objetos. Davidovich…que há quase 3 décadas investiga “fenômenos complexos” da mecânica quântica – explica que:
“Decoerência é o fenômeno que determina a passagem do mundo quântico…ao clássico – como se por medições destruíssemos as interrelações da informação quântica”.
Em 1927, Niels Bohr propôs que essa fronteira variava de um sistema para outro. Mas, até hoje não se observou um limite de tamanho, massa ou energia…que estabeleça um tipo de fronteira entre um mundo e outro. Contudo, há alguns anos, a equipe do físico Anton Zeillinger demonstrou que moléculas de…’fulereno‘, formadas por 60 átomos de carbono – e com estrutura semelhante à de uma… “bola de futebol” — mantêm um ‘comportamento quântico’ (como onda e partícula) no experimento da…”dupla fenda”.
Medindo a decoerência… (ou ‘desentrelaçamento’) ‘Embora ainda não se conheçam os limites, os físicos têm hoje uma ideia mais precisa dos fatores que influenciam a transição do mundo clássico ao quântico… e vice-versa.’
Uma cavidade ótica. Dois espelhos frente-a-frente aprisionam um fóton (em vermelho) que é estudado usando um íon (em verde) que atravessa a cavidade
Em 1986…quando no laboratório do físico Serge Haroche… — em Paris… Davidovich começou a investigar essa questão… — ele, junto com seu colega… NicimZagury — da UFRJ e equipe iniciaram o planejamento de um sistema, que permitisse ‘simular‘ a ‘medição do ambiente‘ sobre ‘sistemas quânticos’. — Davidovich… dez anos mais tarde – publicou…ao lado de seus colegas franceses um artigo na…’Physical Review‘ detalhando a maneira de como o ‘sistema’ poderia ser construído…de modo a medir informações do “sistema quântico”…bem como… – acompanhar sua passagem…ao clássico…em função do “efeito ambiente”.
A ideia era aprisionar fótons de uma luz com pouca frequência energética (‘microondas’) que se encontrariam em superposição de estados, no interior de uma cavidade feita com espelhos especiais. Essa ‘superposição’ é análoga a ter uma cavidade “acesa” com fótons, e “apagada” (sem fótons)…ao mesmo tempo, e em seguida, fazer um átomo atravessá-la. Ao passar pela cavidade…o átomo altera a energia dos fótons, que por sua vez, alteram o nível de energia do átomo. – Ao avaliar o átomo que saiu da cavidade…os pesquisadores conseguiriam conhecer as características dos fótons aprisionados; se estavam ou não em uma superposição de estados. E esse experimento demonstrou que: “O tempo em que ocorre a perda de informação quântica (tempo de decoerência) é inversamente proporcional ao nº de fótons aprisionados na cavidade”. — Esse trabalho; com uma série de estudos conferiu a Haroche (e David Wineland) o ‘Nobel de Física‘ de 2012.
Essa relação que encontraram, explica por que não se observam objetos macroscópicos em mais de um lugar ao mesmo tempo…Como são feitos por um número muito elevado de partículas, esses objetos perdem suas características quânticas num intervalo de tempo absurdamente curto.
Anos atrás, Zurek havia demonstrado que, à medida que o sistema quântico interage com o meio que o envolve, e perde informação – ou seja…sofre decoerência…registros dessa informação ficam no ambiente. Agora, no estudo da ‘Physical Review Letters‘ Davidovich, e os físicos…Souto Ribeiro, Stephen Walborn, Osvaldo Jimenez Farias, Gabriel Aguillar, e Andrea Valdéz-Hernández mostraram, em experimento com fótons…que o mesmo ocorre com a propriedade fundamental denominada entrelaçamento (ou emaranhamento).
Impressões quânticas no “Mundo clássico” “Fótons emaranhados podem manter parte de suas propriedades quânticas mesmo depois de interagirem com o ambiente externo”.
Utilizando um “feixe de laser”, incidindo sobre uma série de filtros e cristais, os pesquisadores puderam observar o “entrelaçamento”…em um ambiente bem simples… – extremamente mais simples…do que aquele em que vivemos; sobre o qual, tinham completo controle… – podendo assim realizar medições…para saber quanto de informação foi perdida pela… “decoerência“.
“Talvez esse seja o único ‘sistema físico’ em que se consegue medir – completamente… o estado do ambiente”… – assim explicou Souto Ribeiro.
Ao atravessar o primeiro cristal o feixe de laser contendo trilhões e trilhões de fótons gera apenas um par de fótons entrelaçados. — No caso, os pesquisadores entrelaçaram o plano de vibração da luz…a polarização, que podia ser vertical ou horizontal. Após essa 1ª etapa, cada um dos fótons segue um caminho distinto rumo ao detetor. Antes que a ‘medição da polarização‘ seja conferida…no final do percurso…um dos fótons passa por outra série de cristais e filtros, e ganha mais um tipo de informação codificada do rumo que percorreria em seguida (direita ou esquerda). – É assim como se os fótons tivessem interagido com o ambiente externo ao sistema de modo a transmitir para ele uma parte de sua informação.
Os físicos observaram que o entrelaçamento inicial entre a polarização dos 2 fótons começou a desaparecer depois da interação com o ambiente. Mas, em alguns casos, surgiu ao final da experiência, uma forma distinta de entrelaçamento…em que os 2 fótons se apresentavam emaranhados com o ambiente…Segundo os pesquisadores, ao se conhecer a parte da informação perdida para o ambiente…talvez seja possível recuperá-la; disse Souto Ribeiro, que coordenou com Stephen Walborn, mais Amir Caldeira e Marcos Oliveira, da Unicamp, outro estudo publicado em novembro…na ‘Physical Review Letters‘ mostrando que aqueles “estados mais estáveis”, previstos por Zurek, podem se tornar evidentes, antes mesmo que o sistema se torne clássico.
O fato da experiência funcionar em ambiente simples, indica que também deve dar certo nos mais complexos… – nos quais é difícil realizar medições…uma vez que as equações que descrevem a interação são as mesmas…em ambos ambientes…A esse respeito, Davidovich considera o trabalho…apenas o começo de um novo caminho: “O experimento feito nos dá apenas uma ‘informação parcial’ sobre o que acontece, porque o objeto está longe de ser considerado ‘macroscópico’ – gostaria de estudar as impressões digitais que objetos macroscópicos deixam no ambiente. O próximo passo a se explorar – do ponto de vista teórico, deve ser o que ocorreria nesse caso. Planejar um experimento para observar isso… – seria extremamente interessante”.
a) Artigo originalmente escrito por MARCOS PIVETTA | Agência FAPESP http://revistapesquisa.fapesp.br/2009/06/01/a-formula-do-emaranhamento/ (Junho/2009) Artigo relacionado: ‘Determining the dynamics of entanglement’. Farías, O. J. et al. – Science Express Reports, publicado online em 14/05/2009.
b) Artigo originalmente escrito por FÁBIO DE CASTRO | Agência FAPESP http://agencia.fapesp.br/12951 (Out/2010) Artigo relacionado…’Robustness of bipartite Gaussian entangled beams propagating in lossy channels’ de Marcelo Martinelli, Paulo Nussenzveig e outros — publicado dia 17/10 na edição on-line da Nature Photonics.
c) Artigo originalmente escrito por RICARDO ZORZETTO | Agência FAPESP sobre-gatos-fotons-e-mundos-estranhos (Dez/2012) Artigos relacionados: FARIAS, O.J. et al… ‘Observation of the emergence of multipartite entanglement between a bipartite system and its environment’. Physical Review Letters. out. 2012. Cornelio, M.F. et al. – “Emergence of the pointer basis through the dynamics of correlations”. Physical Review Letters. 9 nov. 2012.
Grupo da UFRJ composto pelos pesquisadores Luiz Davidovich, Paulo Henrique Souto Ribeiro e Steve Walborn, Camille Latune, Gabriel Aguillar, Andrea Valdéz-Hernández…e, Osvaldo J. Farías. – Grupo da USP…composto pelos pesquisadores Paulo Nussenzveig, Marcelo Martinelli, Felippe Barbosa, Alessandro S. Villar … Katiúscia Nadyne Cassemiro, Antonio Sales Oliveira Coelho, e Alencar José de Faria. [Ambos os grupos fazem parte do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Informação Quântica… ‘Instituto de Física Gleb Wataghin’/UniCamp… coordenação de Amir Caldeira… e…George Matsas/UNESP] **********************************************************************************
“Metrologia quântica“…estima limite fundamental de precisão Como estimar a ‘dimensão da incerteza’ em medições na escala quântica, e reduzir essa…”incerteza” — para que as medições sejam mais precisas?
“A estimativa de parâmetros é um problema antigo na ciência. Para isso até agora, ninguém sabia como avaliar a influência do ambiente em experimentos quânticos”, disse o físico Luiz Davidovich…professor da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
![Físicos brasileiros desenvolvem método para estimar a precisão de medição em sistemas quânticos.[Imagem: Escher et al./Nature Physics]](https://questcosmic.files.wordpress.com/2014/01/aparelho-de-precisc3a3o.jpg)
Físicos brasileiros desenvolvem método para estimar a precisão de medição em sistemas quânticos.[Imagem: Nature Physics]
Medir fenômenos quânticos, com sondas equivale…em outra escala, a avaliar … a profundidade de um poço … com uma ‘onda sonora‘, ou usar “ultra-som” para medir a criança… no ventre da mãe… Se trata de uma ‘estimativa indireta’, com grau intrínseco de incerteza. Mas nessa escala há um limite de precisão – teoricamente definido.
A novidade, é que para “fenômenos quânticos”…existem formas de se reduzir a incerteza nas medições. É o caso do ‘emaranhamento’, que faz com que certas propriedades sejam compartilhadas entre aparelhos de medida, melhorando muito sua precisão. O problema no caso, é que isso só funciona em situações ideais, sem interferências ambientais, como ‘efeitos de temperatura’. Algo que no mundo real nunca acontece. – Segundo Davidovich, o mais importante da teoria proposta no artigo publicado na “Nature Physics“, é que não se limita a estimar a influência do mundo real nas medições — podendo também avaliar, em cada situação…como otimizar a precisão – ao mostrar que um grande nº de medidas pode eliminar “efeitos quânticos” na interferência do ambiente. E conclui o pesquisador:
“Através da transição entre regimes quântico e clássico…estamos chegando mais perto de um equilíbrio adequado, entre a beleza diáfana da mecânica quântica e a ferocidade das imperfeições do mundo real”. texto base (2011) ***********************************************************************
Entrelaçamento de três partículas (jan/2013) No “entrelaçamento quântico”…2 partículas ficam tão intimamente conectadas, que qualquer coisa que aconteça a uma, imediatamente interferirá com a outra…qualquer que seja a distância que as separe.
Um único fóton cria diretamente os 3 fótons, que nascem como trigêmeos siameses — não só em energia, mas também no tempo. [UWaterloo/IQC]
Sobre as contribuições que Albert Einstein deu à física e cosmologia, todos já ouviram falar à exaustão. Porém um aspecto menos comentado nessas pesquisas de fronteira é que as concepções que levam aos modelos, às teorias e experimentos, seja na física ou cosmologia…são essencialmente conceitos filosóficas acerca do mundo…ou realidade. Em 1935…Albert Einstein, Boris Podolsky, e Nathan Rosen, publicaram um ‘exercício mental‘, idealizado para demonstrar que a mecânica quântica não era o bastante para descrever a realidade. — A “entidade EPR” (como ficou conhecida) queria comprovar, com 2 partículas entrelaçadas, parâmetros ocultos…não considerados quanticamente.
Mais tarde, John Bell, analisando os ‘argumentos EPR’, verificou que esses parâmetros ocultos defendidos eram incompatíveis com as observações da natureza – preservando assim os mistérios da mecânica quântica. – Hoje…contudo…o entrelaçamento de duas partículas, conforme proposto inicialmente pelo ‘EPR‘ – é algo trivial…um mecanismo empregado rotineiramente em tecnologias emergentes – como “computação quântica”, “criptografia quântica”…e “medições ultraprecisas”. Agora, 77 anos depois do trabalho seminal do…“trio ‘EPR’ de mentes entrelaçadas“, pesquisadores das universidades de Waterloo e Calgary, no Canadá, foram além dos ‘experimentos mentais’…Eles fizeram um experimento real, que estende as ideias originais de Einstein, Podolsky e Rosen de 2…para 3 partículas entrelaçadas…e, de quebra, evitando a possibilidade de que surja alguém para dizer que suas ideias são incompatíveis com as ‘observações da natureza‘.
Além das implicações filosóficas, o experimento poderá aumentar exponencialmente a capacidade teórica já enorme dos computadores e simuladores quânticos.
‘Entrelaçamento’ é um tipo de correlação quântica, tal como ‘discórdia quântica‘, e vários outros fenômenos similares … que agora começam a ser estudados. — Neste trabalho foram produzidas…”correlações quânticas” entre 3 fótons – provenientes de um único fóton de entrada – nascidos semelhantes… — não apenas, em termos ‘energéticos‘ — mas também…no tempo.
Thomas Jennewein, orientador do grupo, assim comentou… “É bastante animador, depois de todo esse esforço…ser capaz de criar…controlar…e emaranhar partículas quânticas…com essa admirável precisão”.
Ao contrário das partículas clássicas – partículas quânticas têm comportamento conjunto, e não individual. – A criação de um entrelaçamento de 3 partículas é algo tão radical…que poderá levar a novos avanços no desenvolvimento de certos dispositivos quânticos…Como Jennewein explicou: “Usando estes estados da luz pode ser possível interagir e emaranhar memórias de computadores quânticos distantes umas das outras – construídas com gases atômicos exóticos”. — Combinar essas 3 partículas…com os tipos de entrelaçamento mais tradicionais — por exemplo… — poderá aumentar exponencialmente a capacidade teórica — já indescritivelmente grande — dos… “computadores”… — e… “simuladores quânticos”.
Este emaranhamento tripartite poderia permitir a criação de sistemas híbridos, combinando várias propriedades da luz, tudo ao mesmo tempo, e contribuindo, na prática, com futuras redes de comunicação ultrarrápidas – além de permitir novos testes fundamentais da teoria quântica…o que pode também aprofundar a forma como entendemos o mundo… Ou, pelo menos, a forma como o mundo se nos apresenta — mesmo que ainda não tenhamos todas explicações para ele.
Há muito tempo se fala sobre coisas como “efeito borboleta“, mas quase sempre em termos de efeitos mecânicos clássicos… — Será que estamos diante de novas formas de inter-relacionamento?…Afinal, “sistemas quânticos”…como átomos e fótons…estão se relacionando e interagindo uns sobre os outros continuamente. Como prevê Christoph Simon, membro do grupo…“Este trabalho abre uma rica área de trocas da filosofia…com mecânica e tecnologias quânticas.” (texto base) **************************************************************************
* Informação em dobro * (Jan/2014) ‘Técnica duplica quantidade de dados que podem ser recuperados num sistema quântico’
Uma equipe de físicos brasileiros demonstrou que o emprego de uma ‘técnica alternativa‘ para recuperar informação … armazenada em fótons dobra a capacidade de transmitição de dados em…”sistemas quânticos”… (efeito que poderá ser de grande utilidade, no avanço da computação por bits quânticos). O método, mais conhecido como … “medida assistida por cavidade“…consiste de um conjunto de espelhos formando uma espécie de caixa de ressonância… – que através de “feixes entrelaçados de laser” permite medir oscilações tênues de fótons…e assim resgatar parte da informação – que antes se perdia no sistema.
Marcelo Martinelli do Instituto de Física da Universidade de São Paulo faz parte do grupo que produziu os trabalhos…no “Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica”. Também assina os artigos o físico Claude Fabre, da Universidade Curie, com a colaboração do “Centre National de la Recherche Scientifique” (CNRS). Os pesquisadores fazem um paralelo entre o “efeito quântico” produzido pelo emprego da ‘medida assistida por cavidade‘, e a repercussão criada no setor de áudio, pela adoção de aparelhos capazes de reproduzir o ‘som estéreo’. – Uma ‘estação FM‘, por exemplo, transmite músicas em 2 canais – independentes e simultâneos … operando em frequências ligeiramente distintas. Desse maneira, cada canal pode disseminar “ao mesmo tempo” – informações diferentes.
Numa…”música instrumental” – o baixo e a bateria podem estar registrados no canal direito, enquanto o piano e a guitarra estão gravados no outro canal — o da esquerda. Ocorre algo semelhante num “feixe de laser” com fótons entrelaçados, em um tipo de “correlação quântica” que pode armazenar, processar, e ainda transmitir informação.
Experimentos feitos na…’USP‘…produziram um sistema com 3 feixes entrelaçados…de diferentes cores – ou seja…distintos comprimentos de onda. A frequência de cada feixe era cerca de 300 terahertz…1 milhão de vezes maior que uma transmissão de rádio FM. A rigor a informação quântica não é armazenada e transmitida por esse canal principal de luz… – mas sim…por 2 pequenos campos, ou canais de 20 megahertz…ligeiramente acima e abaixo da frequência central. Assim como no caso do ‘sistema estereofônico de rádio’, cada canal secundário é capaz de carregar informações específicas…Retomando a comparação radiofônica… — é como se alguém usasse um reprodutor de sons que só tocasse um canal… — no modo ‘mono’… — para ouvir uma ‘transmissão em estéreo’. Mesmo em mono é possível entender a emissão… – mas, alguns detalhes são perdidos.
É mais ou menos isso o que acontece ao se resgatar informação quântica em um sistema, com a técnica tradicional da ‘deteção homódina’…Enquanto no experimento feito com 3 feixes de laser o método convencional só registrava 3 canais de informação quântica – a ‘medida assistida por cavidade‘ flagrava 6 (um par de dados por feixe). (texto base) ********************************************************************************
Mecânica quântica pode colocar um objeto em 2 lugares ao mesmo tempo “Noutros métodos, sempre existem vários lasers e um aparato complicado…mas neste caso…é apenas um laser, e a partícula”. (Markus Aspelmeyer, coordenador da equipe)
Esfera de vidro apresentando “comportamentos quânticos” só vistos até agora em átomos individuais. [K. Dare]
Um novo método para manipular o ‘estado quântico‘ das partículas abre caminho… – à possibilidade incrível … de podermos observar um…‘objeto‘ – em 2 lugares – ao mesmo tempo (lembrando que a ‘ação fantasmagórica à distância’ já é visível)… A técnica foi usada para resfriar uma mínima esfera de vidro…até um estado antes só observado em ‘partícula atômica’.
O objetivo dessa linha de pesquisas é verificar se existe (e se existir, onde está…) uma fronteira entre bizarros comportamentos observados pela ação da mecânica quântica, e os comportamentos (clássicos) tradicionais na escala humana. Ao se atingir escalas extremamente pequenas…calor e movimento são intercambiáveis…quanto mais uma partícula está se movendo…mais quente ela é. — Para esfriar uma pequena partícula, portanto…é preciso fazê-la parar de se mover…Como as regras da mecânica quântica definem que nunca se pode saber exatamente com que rapidez uma partícula está se movendo … existe um limite para quão fria uma partícula pode ser resfriada – limite este conhecido como “estado fundamental” da partícula, ou…“energia do ponto zero“.
Resfriamento com luz Segundo a mecânica quântica, tal padrão de interferência de luz só pode existir em determinadas frequências… – Isso permite aos pesquisadores selecionar uma… “frequência precisa” – com que a luz atinja a partícula.
Esquema do experimento, que revelaria segredos da gravidade quântica e “superposição”. [Uros Delic]
Uros Delic e equipe da Universidade de Viena empregaram um único laser para resfriar uma partícula de vidro…de 150 nms de largura, fazendo-a chegar a seu ‘estado fundamental’. – O laser levita a partícula — usando um efeito chamado “aprisionamento óptico”…no qual a luz interage…para mantê-la no lugar. – De ambos os lados espelhos fazem a luz se sobrepor — e…interfir com ela mesma, criando assim, uma … “garra de luz“ (pinças ópticas ou raios tratores)…que cumpre manter a nanoesfera no lugar.
À medida que esta partícula vibre para frente e para trás, algumas frequências de luz a aceleram, fornecendo pequenas quantidades de energia, enquanto outras diminuem a velocidade, removendo energia…Ao se deixar passar só as frequências que retardam a partícula, ela irá ficando cada vez mais fria…até atingir seu estado fundamental – esse ‘resfriamento com luz‘ aliás, promete coisas interessantes, como geladeiras a laser. No experimento idealizado por Delic isso ocorreu a uma temperatura de 0,000012 kelvin (cerca de -273°C), uma fração acima do zero absoluto, a mínima temperatura possível. Métodos semelhantes já foram usados antes para resfriar gases, mas nunca partículas sólidas…A técnica poderá eventualmente ser usada para criar um estado quântico, no qual 1 macro objeto ocupe 2 lugares ao mesmo tempo, conhecido como ‘superposição espacial‘…como assim explicou Aspelmeyer…“Outros experimentos com átomos frios também podem criar superposições e estados quânticos, mas o que nunca fizeram foi criar uma superposição de todos átomos num lugar; e todos átomos…noutro lugar”.
A partícula neste experimento tinha cerca de 100 milhões de átomos, embora apenas seu interior tenha atingido o estado fundamental. E esse fato é interessante, porque – devido ao laser aquecer os elétrons no material… a superfície da esfera de vidro é extremamente quente, em torno de 300 °C. Entretanto, o movimento do centro de massa da partícula é ultrafrio, em torno de 0,00001 ºC acima do zero absoluto…comprovando-se assim que a partícula quente se move de maneira quântica. O resfriamento de sólidos e a medição de seu estado quântico é fundamental para o objetivo prático de investigar as propriedades quânticas da gravidade, pois é bem mais fácil testar a gravidade de um ‘sólido compacto’, do que um gás difuso. Tal configuração permitiria, por exemplo, verificar se a gravidade do objeto estaria em 2 lugares ao mesmo tempo, com implicações a objetos quânticos de maneira mais geral – eventualmente…respondendo à questão da possível existência das “partículas gravitacionais” (grávitons) na natureza. (texto base) (fev/2020) (p/consulta) ******************************(texto complementar)******************************
A medida da Discórdia (Cássio Leite Vieira) O ‘gol’ do artigo, na definição de um dos autores, é que o trabalho oferece, pela 1ª vez, um método prático para medir correlações quânticas, ou seja, para medir a ‘discórdia’.
Para entender como 2 objetos emaranhados estão correlacionados…basta visualizar uma lâmpada e um interruptor. Das informações sobre um temos informações (propriedades) do outro…Exemplo: se uma lâmpada estiver acesa…podemos dizer – com boa segurança, que o interruptor está ligado; por outro lado, se o interruptor estiver desligado…podemos deduzir que o ambiente estará escuro – sem ao menos precisar entrar nele. – Entretanto, por envolver ‘objetos macroscópicos’ — essa forma de correlação é considerada “clássica”.
O emaranhamento é o fenômeno responsável pela ultracapacidade de processamento dos computadores quânticos – pois permite processar grande nº de tarefas simultaneamente. O problema é que 2 (ou mais) entidades quânticas emaranhadas – (elétrons, fótons…etc.) devem ser mantidas a temperaturas baixíssimas – e…praticamente isoladas do ambiente, pois a mínima interferência destrói essa ‘ligação’. Ou seja, tarefa complexa, que demanda energia, dinheiro, paciência e técnica. — Mas, e se fosse possível medir a correlação entre objetos quânticos – sem precisar emaranhá-los – mantendo-os à temperatura ambiente? Os físicos chamam esse tipo de grandeza – que indica o quão quântica são as correlações entre duas entidades do mundo atômico ou subatômico — de…“discórdia”. — No caso do mundo macroscópico (‘clássico’) — da lâmpada e do interruptor — a discórdia seria nula.
A parte crucial do experimento…foi mostrar que era possível medir correlações entre 2 propriedades, no caso spin (imaginado na rotação do núcleo) do carbono e hidrogênio; como se um fosse a lâmpada, e o outro o interruptor…Ou seja, tendo informação sobre um, inferem-se propriedades do outro. – E por que isso é importante?…Porque abre a possibilidade da utilização de átomos à temperatura ambiente, no desenvolvimento de computadores quânticos, e “criptografia quântica”…gerando códigos 100% invioláveis. Características tanto de discórdia como emaranhamento…são úteis no processamento da informação no computador quântico…Mas sistemas não emaranhados…dotados de ‘discórdia‘ têm a vantagem de serem mais robustos à ação do meio externo. (set/2011) ********************************************************************************
Como uma descoberta quântica poderá revolucionar nossas vidas? (out/2011) “A mecânica quântica foi uma revolução do ponto de vista científico. Vivemos no ‘mundo clássico’…cercado por objetos de grandeza macroscópica – porém, quanto menores esses objetos, em algum ponto, a física usual deixa de valer.” (Diogo Soares Pinto – IFSC/USP)
A ‘discórdia quântica‘ é um conceito que se aplica a toda e qualquer correlação entre ‘partículas‘ (ou conjuntos delas) que esteja em “desacordo” com as leis da física clássica. O conceito, considerado uma medida global das correlações quânticas…tem importante papel em alguns processos de informação…o tornando de interesse ao desenvolvimento em sistemas de trocas de dados na ‘computação quântica‘.
Elementos do mundo quântico Se – por um lado…os principais “elementos da mecânica quântica“ são bem conhecidos, entender sua definição torna-se bem mais difícil, e mais ainda aprofundar-se no assunto.
Os elementos que compõem o mundo quântico podem variar…desde quarks – núcleos de átomos e spins eletrônicos, até condensados de Bose-Einstein, já considerados elementos macroscópicos. Mas, o interessante, no caso, é o surpreendente comportamento quântico desses ‘micro-objetos‘ — cuja teoria…(“mecânica quântica”)…logo após formalizada, será questionada em sua ‘completude‘ por alguns eminentes físicos, entre eles Albert Einstein (um de seus criadores). – Entre alguns desses aspectos bizarros do mundo quântico…em relação ao ‘clássico tradicional’ — está o fato de coisas existirem apenas quando medidas; ou existirem e interagirem entre si, mesmo fisicamente distantes umas das outras. Tendo em vista tais questionamentos…o assunto passou a ganhar atenção do mundo acadêmico.
Em especial, a principal revolução da mecânica quântica diz respeito ao transporte de informação…Isso porque seus elementos interagem à distância – o que pode chegar a milhares de quilômetros. Tal fenômeno interativo foi chamado “emaranhamento”, ou entrelaçamento. Assim, como no mundo quântico as propriedades de seus elementos estão diretamente ligadas…umas às outras (o que um elemento faz, automaticamente afeta o outro), não há sentido em considerá-los isoladamente. E, enquanto no mundo clássico as propriedades dos elementos são exatas e determinadas — no quântico isso nunca acontece. Nele se trabalha com “probabilidades”, mesmo que muito pequenas.
Entrelaçamento, Computação e Criptografia Quânticas “Os códigos clássicos de… ‘criptografia’ — a princípio — podem ser quebrados. Do ponto de vista quântico, em virtude do emaranhamento isso seria impossível”.
Imagine a seguinte cena… Você está em dentro de um bar e um amigo ao lado de fora. O bar está lotado e, mesmo assim, você consegue conversar com ele, como se o fizesse por ‘telepatia’. – No mundo quântico, isso é possível…mas, no caso, não são amigos, e sim partículas, que perdendo suas características individuais, mantém essa ‘conversa’, via ‘correlação quântica‘; independente da distância em que se encontrem. É como se fossem uma única entidade, em 2 corpos diferentes. E assim, surge daí o interesse na “computação quântica“…Quando escrevemos um e-mail, por exemplo, a informação é criptografada convencionalmente com base em…‘algoritmos matemáticos‘. Todavia, no mundo quântico, a previsão é que o processamento das informações, além de bem mais rápido, seja muito mais seguro (mais difícil de decodificar)…Para que o acesso a “contas bancárias”, por exemplo, não seja desvendado por ‘hackers’…é preciso que os desenvolvedores de softwares criptografem as informações — como senha do usuário.
Teletransporte, Decoerência e “Ressonância Magnética Nuclear” Depois de observar que, apesar da ausência do ‘emaranhamento’…com a técnica “RMN”, propriedades quânticas entravam em ação…ficou a pergunta de como isso seria possível.
A partir da década de 80…tais fatos passaram a ter grande repercussão, sobretudo num artigo publicado na “Physical Review Letters” … onde o ‘teletransporte’ tornou-se realidade. Matematicamente – provou-se que informações poderiam, de um local a outro – ser… “teletransportadas”. Posteriormente … graças a estudos de outros pesquisadores… — então chegou-se…a uma outra conclusão:
Se o “emaranhamento” refere-se exclusivamente a um fenômeno quântico, nem todo sistema do… “mundo quântico”… depende do “emaranhamento”.
Em temperatura ambiente e condições normais, alguns sistemas não apresentam emaranhamento e um exemplo disso é a Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Pensava-se o emaranhamento como extremamente necessário para um ganho de velocidade, na hora de ler uma informação…Com isso, uma nova questão surgiu: “Qual a novidade da RMN para justificar essa possibilidade técnica de uso para o processamento de informação quântica”?…Voltando à analogia da conversa de 2 amigos…dentro e fora de um bar…a explicação para esse fato seria dizer que eles também estão correlacionados – mas, nesse caso, mantendo suas características individuais. Noutro artigo científico – publicado em 2001…por Harold Ollivier e Wojciech Zurek, ficou comprovada uma “ligação entre partículas” – diferente do emaranhamento – a qual os pesquisadores chamaram de… “discórdia quântica“.
A diferença entre a medida de correlação (‘dependência’) entre 2 partículas no mundo clássico, e 2 do mundo quântico, define o fenômeno da ‘discórdia’.
Diogo…junto com Tito José Bonagmba e Eduardo Ribeiro de Azevêdo, também pesquisadores do IFSC, e outros 6 estudiosos da ‘EMBRAPA‘, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e Universidade Federal do ABC (UFABC) fizeram a seguinte experiência: criaram um estado de discórdia quântica entre átomos de hidrogênio e carbono … a partir do clorofórmio (CHCl3), e fizeram as medições, utilizando-se de ‘RMN‘ (temperatura ambiente), para descobrir o que acontece quando um elemento passa de um estado clássico para o quântico. Como relata Diogo…“Analisamos a deterioração da correlação entre partículas através dessa experiência, e mostramos que…não só existe ‘discórdia quântica’ em RMN, mas também podemos medi-la”. Essa experiência quântica, por outro lado, pode ser interrompida por certos “ruídos“ (agitação molecular…sempre causada por um aumento na temperatura) — que enfraquecem a ‘correlação’ entre as partículas. Contudo, mesmo com a interferência de certos ruídos – a ‘discórdia quântica‘ é mais robusta que o ‘emaranhamento‘…Ou seja, dessa forma, foi descoberto um tipo de relação quântica…mais potente e menos exigente…utilizando-se de uma técnica…relativamente simples, e muito bem estabelecida no ‘mundo científico’. *************************************************************************
Interações de sistemas quânticos com o meio (processos dissipativos) jan/2015 “Nosso trabalho apresenta uma nova fronteira para entender os processos dissipativos, não focando apenas no sistema…mas também na interação sistema/meio. Procuramos desse modo enfatizar que o meio ambiente pode prover informações importantes para o bom entendimento da dinâmica dissipativa do sistema”. (Fanchini/Agência FAPESP)
Quando se estudam sistemas quânticos abertos … 2 componentes precisam ser considerados… — o… “sistema físico” propriamente dito… – e o “ambiente“.
Entretanto… este último… – na quase totalidade dos casos…por ausência de informações … é totalmente ignorado, passando-se a considerar no processo apenas… “dinâmicas intrínsecas”…ao sistema: tipo…‘emaranhamento‘, e as ‘intercorrelações’ entre as suas partes.
Porém, um artigo publicado em dezembro de 2014 na “Scientific Reports“, mostra que, mesmo sem ter acesso a informações sobre o meio…é possível inferir como o sistema e suas partes se relacionam com o ambiente. – Nele…é considerada uma situação onde 2 átomos estão acoplados a um laser de controle. — Os átomos são os qubits do sistema, sujeitos a perturbações externas provenientes do ambiente. E explicou Felipe Fanchini:
“Nosso objetivo foi entender como esses átomos sofrem a interveniência do ‘meio’, perdendo suas correlações quânticas. Fizemos isso não só olhando para o sistema constituído pelos 2 átomos, mas também para os ‘emaranhamentos’ e correlações quânticas entre esse sistema e o meio. Acreditava-se que o emaranhamento entre os dois átomos seria reduzido porque eles estavam se emaranhando também com o meio ambiente. – Mas o que enfatizamos é que a relação não é tão proporcional quanto se pensava…Às vezes, os átomos perdem emaranhamento entre si, mas se entrelaçam mais devagar com o ambiente…pois parte do que é perdido estaria se transformando em outras correlações — que caracterizam a…discórdia quântica”.
O artigo de Fanchini e colegas procurou mostrar que o ‘processo dissipativo‘ pode ser mais complexo do que se supunha…requerendo novos estudos para sua compreensão. O objetivo é chegar a uma “teoria de controle dos sistemas quânticos“…em relação ao meio, que responda ao desafio de blindar os sistemas, zerando a perda de informação. Uma aplicação óbvia disso é superar o efeito do meio sobre o sistema (grande entrave à computação quântica, que faz seus componentes perderem correlações quânticas, e passarem a se comportar segundo a física clássica). — A “simulação quântica” é outra aplicação, que se daria em situações…como, por exemplo, ‘emular‘ o comportamento de uma molécula à qual não se tem acesso … criando-se um sistema quântico similar.
“Não conseguimos simular moléculas grandes ou ter uma computação quântica efetiva, porque não conseguimos bloquear os efeitos do ‘reservatório’ [“meio“] sobre o sistema. Então, quanto mais soubermos a respeito de como esse ambiente atua — mais seremos capazes de proteger os sistemas quânticos da influência ambiental”, concluiu Fanchini. *******************************************************************************
Físicos brasileiros… na captura da… “discórdia quântica” (jun/2015) “Antes do conceito de ‘discórdia’, correlações quânticas eram pensadas apenas em termos de ‘emaranhamento‘…Depois, compreendeu-se que outros tipos de correlações – mais fracas – também são possíveis” (Felipe Fanchini – UNESP)
Um grupo de pesquisadores mediu pela 1ª vez uma ‘propriedade’ — que pode ser útil para o desenvolvimento da…”computação quântica”. O grupo já havia publicado um artigo na “Physical Review Letters”…onde descreviam como conseguiram medir, em temperatura ambiente…a assim chamada discórdia quântica…Introduzido em 2001, este conceito indica a “correlação” entre 2 entidades quânticas, que por meio de um fenômeno de “emaranhamento“…trocam informações “instantaneamente” entre si.
O comportamento da discórdia “Devido a dificuldades matemáticas — só existem alguns resultados para a expressão analítica da ‘discórdia quântica’, e apenas para estados bem especiais a solução exata é conhecida. — A metodologia utilizada por nós…configura uma nova estratégia para obtenção de soluções analíticas, inclusive para sistemas mais complexos.” (Fanchini)
Até há alguns anos pensava-se que o emaranhamento fosse uma ‘propriedade essencial’ para obtenção de ganhos num sistema quântico … como a maior velocidade na troca de informações entre entidades quânticas. Descobriu-se então que essa propriedade não é fundamental…e que a discórdia quântica é que poderia estar associada às vantagens do sistema. – Em função disso…tanto a discórdia como o emaranhamento passaram a ser reconhecidos como úteis ao processamento de informações num computador quântico. Mas, sendo uma correlação mais robusta que o emaranhamento…a ‘discórdia quântica’ fornecerá um ganho de “velocidade de processamento” nos…‘computadores quânticos‘.
Até então acreditava-se que tal grandeza quântica só poderia ser medida em sistemas muito bem controlados – a baixíssimas temperaturas … e isolados do meio ambiente, pois qualquer interferência poderia destruir a ligação – “emaranhamento” – entre as diminutas partículas…o que inviabilizaria a concepção de um “computador quântico”. Entretanto, medidas experimentais desse efeito quântico demonstraram que ele está presente onde não se esperava…trazendo a possiblidade de ser explorado mesmo em temperatura ambiente – onde há muito ruído térmico – e não há…”emaranhamento”.
O efeito detetado da mudança súbita de comportamento da “discórdia quântica” descreve a… ‘alteração’ — percebida no comportamento de um “sistema físico“ em contato com o…”meio ambiente“.
O fenômeno pode permanecer constante, e insensível ao…”ruído térmico”, por um determinado tempo, e depois, começar a decair, numa perda gradual de coerência do sistema (“decoerência quântica“).
Para medir a ‘discórdia quântica’ os pesquisadores trabalharam com uma molécula de clorofórmio, que possui um átomo de carbono, um de hidrogênio e 3 de cloro. Usando técnicas de ‘ressonância magnética nuclear’…eles codificaram um bit quântico no spin do núcleo do hidrogênio…e outro no de carbono — e demonstraram que estes núcleos não estavam emaranhados…sendo possível, portanto, medir as correlações entre suas propriedades. Assim, deste experimento, desenvolveram um inovador método prático para medir correlações quânticas (“discórdia quântica”) em sistemas não controlados.
Conhecer as sutilezas do comportamento dinâmico desse sistema é importante pois, se usarmos a discórdia quântica para obter alguma ganho em processos, como “metrologia” ou “computação”…precisamos saber o quão robusto é esse aspecto quântico em relação a sua perda de coerência, para calcular o tempo de funcionamento do dispositivo — bem como quais erros a serem corrigidos.
Criptografia quântica & outras aplicações “Isso abre a possibilidade de se utilizar…átomos à temperatura ambiente — para o desenvolvimento de computadores, e outras aplicações práticas, como criptografia quântica – gerando códigos, a princípio invioláveis. Estamos desenvolvendo agora no ‘CBPF‘ métodos para tratar sistemas de 3 e 4 bits quânticos, que associados às técnicas que desenvolvemos para medir discórdia quântica, e outras propriedades, permitirão testar outros protocolos em… ‘ciência da informação quântica‘ – como, por exemplo, protocolos de cripografia quântica“. (Roberto M. Serra…UFABC)
Dentre as aplicações práticas relacionadas à…“discórdia quântica“ – pode-se citar, por exemplo…a comunicação quântica, a criptografia quântica e, em especial, a metrologia quântica — que explora as leis da mecânica quântica … a fim de melhorar a precisão na estimativa de parâmetros relevantes, tais como fase, frequência ou campos magnéticos.
Segundo Serra, o grupo de físicos brasileiros foi o 1º a utilizar técnicas de ressonância magnética nuclear para medir a discórdia quântica, e se tornou referência mundial na área. — No seguimento desse projeto, novos testes serão realizados para comprovar a eficiência no processamento de informações (resolução de cálculos), tendo como base a RMN e a discórdia quântica. – Inevitavelmente, todas propriedades quânticas serão necessárias, com todo seu potencial ao nosso alcance. O código quântico por exemplo, é capaz de quebrar qualquer outro clássico – mas a recíproca não é verdadeira. Nesse sentido, algo com que todos estudiosos do assunto ‘concordam’, seja por discórdia ou emaranhamento…é que pensar na mecânica quântica hoje…nunca foi tão palpável, e ao mesmo tempo, tão próximo da realidade de todos nós … embora para muita gente continue parecendo… uma — “coisa de outro mundo”. (texto 1) # (texto 2) # (texto 3) ******************************************************************************
Luz torna processadores quânticos milhões de vezes mais rápidos (jun/2018) Estados de energia dos elétrons em um semicondutor podem funcionar como os 0s e 1s, não apenas de futuros computadores eletrônicos e fotônicos, mas também de uma nova vertente de…“computadores quânticos“…capazes de funcionar à temperatura ambiente.
Ilustração do pulso de luz polarizada colocando os elétrons em 2 estados diferentes, permitindo que funcionem tanto como bits eletrônicos quanto qubits. [Stephen Alvey/Michigan Engineering]
Uma equipe internacional de pesquisadores conseguiu demonstrar, experimentalmente, como pulsos de laser infravermelho podem fazer os elétrons “transicionarem“…entre 2 ‘estados diferentes’ em uma fina película de semicondutor…um desses estados pode ser entendido como…0… e o outro — como…1. “Os componentes eletrônicos estão na faixa dos gigahertz… – processando a 1 bilhão de operações/segundo” — disse Mackillo Kira, professor da… “Universidade de Michigan”, EUA (que responde parte teórica) — sendo que a parte experimental – foi realizada na “Universidade de Regensburg”…Alemanha.
Isso é excelente para a eletrônica, mas também é rápido o suficiente para resolver um dos grandes problemas da “computação quântica” – ou seja, a fragilidade dos qubits, que devido à decoerência, perdem dados muito rapidamente…Assim, em vez de buscar uma forma de manter o “estado quântico” por um tempo maior … a equipe criou um modo de realizar o processamento antes que os estados decaiam.
“Pseudospin” “O material é relativamente fácil de produzir – funciona em temperatura ambiente, e com apenas alguns átomos de espessura, é compacto ao extremo” (Rupert Huber)
O material usado consiste em uma única camada de tungstênio e selênio com estrutura de favos de mel. Tal estrutura produz um par de estados nos elétrons…conhecido como ‘pseudospin’…os quais podem codificar um bit (0 e 1). Não é o spin do elétron, embora também seja uma espécie de… “momento angular” – o que torna a técnica diferente da “spintrônica” – fazendo parte de um campo emergente, conhecido como…”valetrônica” (uma ponte da eletrônica com a computação quântica). Os elétrons são colocados nesses estados por ‘flashs’ de luz infravermelha…que só duram alguns femtossegundos. O pulso inicial tem seu próprio spin…conhecido como ‘polarização circular da luz‘, que “seta” os elétrons em um estado… “pseudospin”. – A partir daí… pulsos de luz sem giro (‘linearmente polarizados’) podem alterar os elétrons, de um pseudospin para outro…e vice-versa…Tratando esses estados como bits (0s e 1s) é possível criar um novo tipo de processador totalmente fotônico – com “velocidade de clock“…milhões de vezes maior.
Mas elétrons também podem formar estados de “superposição“ entre os 2 pseudospins. Com uma série de pulsos…seria possível realizar cálculos – antes dos elétrons decaírem do seu…”estado coerente”. — A equipe mostrou ser possível inverter o valor desse qubit com rapidez suficiente para executar uma série de operações — basicamente, é rápido o suficiente para funcionar como um… ‘processador quântico’. — O próximo desafio será demonstrar isso – não com pulsos individuais para fazer uma coisa e depois outra, mas uma sequências de pulsos de laser para gravar e reescrever os pseudospins. (texto base) *********************************************************************************
Interação ultrarrápida impulsiona informação quântica (set/2019) Retardar o processo de decoerência é o objetivo atual de várias equipes no mundo inteiro.
Coloque energia num bit e você armazena um dado – coloque energia em um elétron ou em um fóton… – e temos um bit quântico (qubit).
Assim, energia é informação…Portanto, aumentar o intervalo de tempo no qual um sistema é capaz de “reter” a energia recebida, antes de perdê-la para o meio circundante… — constitui um “objetivo fundamental”… ao desenvolvimento da ‘informação quântica’. — Denomina-se esse intervalo “tempo de coerência“.
Um grupo de físicos do Brasil, EUA e Coreia do Sul…acaba de apresentar importante trabalho nessa área — avançando nossa compreensão dos processos de energização e desenergização estudando-o na escala de tempos dos femtossegundos (10-15 segundo). Segundo o professor Lázaro Aurélio Padilha, da Unicamp: “Observamos que, quando o material é excitado luminosamente, sua luz emitida muda de cor em menos de 200 femtossegundos…devido à interação do elétron excitado (éxciton) com o estímulo da rede cristalina (fônon). – O elétron excitado transfere parte da energia que recebeu à rede – provocando mudança de frequência…e, portanto, mudança de cor da emissão”.
Esta foi a primeira vez que se observou tal tipo de fenômeno. Já haviam sido notados similares, todavia, ocorrendo em escalas de tempo muito maiores…e devido a outros processos. — Nunca antes havia sido observado … porque o deslocamento de energia do elétron para a rede é muito pequeno…cerca de 26 mili-elétron-volts (26 x 10-3 eV), e o tempo do processo é curtíssimo — menor que 200 x 10-15 s (200 femtossegundos).
Teoria importante para a computação quântica “Aumentar o tempo de coerência é uma questão-chave para o sucesso de dispositivos como ‘chaveador óptico’ ou ‘emissor de fóton único’. – O que se busca, na verdade…é reduzir ao mínimo o ‘desperdício de energia‘. – Quando o material muda de cor, isso significa que ele está perdendo um pouco de energia. — Descobrimos que essa perda, é extremamente rápida… — E é isso que queremos retardar”. (Diogo Burigo Almeida)
O processo físico, até então desconhecido, citado pelo pesquisador, se dá pela interação ultrarrápida éxciton-fônon. Vale lembrar que na ‘física da matéria condensada’, o fônon é uma ‘quase-partícula’ associada a um ‘quantum de vibração’, que se propaga pela rede cristalina (o ‘éxciton‘ está na base da condução do calor, do som, etc.). Embora não haja aplicação tecnológica imediata dos resultados obtidos — o conhecimento das interações físicas que ocorrem na escala de tempo femtossegundos – pode abrir caminho para que, num futuro não muito distante – se torne possível controlar a estrutura de materiais de modo que os elétrons consigam reter por mais tempo…a energia dos impulsos elétricos, ou luminosos que os excitam, e assim retardar o processo de “decoerência“ de sistemas quânticos, tornando seus qubits mais resilientes, e menos sujeitos a ruídos. (texto base) **********************************************************************************
Entrelaçamento quântico é feito entre objetos grandes e diferentes (out/2020) Entrelaçamento – ou emaranhamento – é a base da comunicação quântica e dos sensores mais precisos que existem – e pode ser entendido como um elo entre 2 objetos, que os faz se comportarem como um único – tudo o que acontece com um afeta instantaneamente o outro. O entrelaçamento entre fótons ou átomos, está na base da…”computação quântica”.
A luz se propaga através da nuvem atômica à direita e então cai na membrana à esquerda. Como resultado da interação com a luz, a rotação dos átomos e a vibração da membrana se correlacionam quanticamente. [NBI/KU]
Pesquisadores do “Instituto Niels Bohr” além da “Universidade de Copenhague” conseguiram uma grande proeza: fazer com que 2 objetos distintos e distantes pudessem se ‘entrelaçar’. – Um deles é um ‘oscilador mecânico‘…(“membrana vibratória”), e o outro é uma nuvem de átomos ultrafrios. – Usando fótons, ou seja – partículas de luz, para interligar estes dois sistemas, a equipe os tornou ‘quanticamente entrelaçados‘…de modo que – o que acontecer…com um deles…imediatamente, afetará o outro.
E o bom disso é que átomos podem ser úteis no processamento de informações quânticas, enquanto a membrana – ou sistemas quânticos mecânicos em geral – pode ser útil para o armazenamento de informações quânticas. Sobre isso…o pesquisador Christoffer Ostfeldt comentou…“Imagine as diferentes maneiras de criar estados quânticos como uma espécie de zoológico de várias realidades ou situações…com qualidades e potenciais bem diversos. Se, por exemplo, formos construir um aparelho a fim de explorar as múltiplas qualidades que vários outros possuam – ao desempenhar funções diferentes…para tarefas diferentes, será necessário inventar uma linguagem…que todos saibam falar. – Os estados quânticos precisam se comunicar, para ser possível utilizar todo o potencial do aparelho. É isso que este entrelaçamento entre 2 elementos no ‘zoológico’, agora mostrou que podemos fazer”.
E o professor Eugene Polzik foi mais além: “Com esta nova técnica estamos a caminho de ultrapassar os limites das possibilidades de ‘entrelaçamento’…Quanto maiores os objetos, quanto mais distantes eles estiverem…quanto mais díspares forem…mais interessante se torna o entrelaçamento, tanto do ponto de vista fundamental, quanto aplicado. Com este novo resultado – o ‘entrelaçamento’ – entre objetos muito diferentes tornou-se possível”.
Um exemplo específico do uso prático do ‘entrelaçamento’ de diversos “objetos quânticos”…está nos “sensores”. Diferentes objetos têm sensibilidade variada à forças externas. Podemos usar por exemplo osciladores mecânicos como acelerômetros e “sensores de força”…enquanto “spins atômicos“ são usados em ‘magnetômetros‘. Além disso, o ‘entrelaçamento‘ permite a medição em apenas um, dos 2 corpos ‘emaranhados’ – com sensibilidade não limitada pelas…“flutuações do ponto zero“.
Uma possibilidade imediata de aplicação desta técnica se encontra nos sensores de ondas gravitacionais, como os empregados nos laboratórios “LIGO” e “VIRGO”. Estes aparelhos são capazes de registrar ondas extremamente fracas…causadas por eventos astronômicos no espaço profundo, como fusões de “buracos negros”, ou de “estrelas de neutrons”. – As ondas podem ser observadas porque sacodem, ligeiramente, espelhos do ‘interferômetro’. Mas, mesmo a sensibilidade desses laboratórios é limitada pela mecânica quântica – pois os espelhos do interferômetro a laser também são abalados por ‘flutuações do ponto zero’. Essas flutuações levam a ruídos…que impedem a observação do movimento dos espelhos causados por ondas gravitacionais muito fracas. Com a nova técnica tornar-se-ia possível produzir o entrelaçamento dos espelhos dos sensores de ondas gravitacionais – com uma nuvem de átomos, e assim, cancelar o ruído de ponto zero dos espelhos, da mesma forma que o ruído da membrana foi cancelado – no experimento então já realizado. (texto base)
Questões Cosmológicas 
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