Físicos descobrem os reis e as rainhas do mundo quântico

A partícula de luz é uma bola zunindo pelo espaço ou um caos que está em todo lugar ao mesmo tempo?

A resposta depende se a influência é maior das as leis absurdas das partículas subatômicas ou das equações determinísticas que governam objetos maiores. Agora, pela primeira vez, físicos descobriram uma maneira de definir matematicamente o grau de quanticidade que qualquer coisa — seja partícula, átomo, molécula ou mesmo um planeta — exibe. O resultado sugere uma maneira de quantificar o quantum e identificar “os estados mais quânticos” de um sistema, que a equipe chama de “Reis e Rainhas da Quanticidade”.

Além de aprofundar nossa compreensão do universo, o trabalho pode encontrar aplicações em tecnologias quânticas, como detectores de ondas gravitacionais e dispositivos de medição ultraprecisos.

O coração da realidade

No coração subatômico da realidade, reina o mundo bizarro da mecânica quântica. Sob essas regras alucinantes, pequenas partículas subatômicas, como os elétrons, podem ser emparelhadas em estranhas superposições de estados — o que significa que um elétron pode existir em vários estados ao mesmo tempo — e suas posições em torno de um átomo e até mesmo seu momento não é fixo até ele ser observado. Essas minúsculas partículas têm até mesmo a capacidade de abrir um túnel através de barreiras aparentemente intransponíveis.

Os objetos clássicos, por outro lado, seguem as regras normais do dia a dia de nossa experiência. Bolas de sinuca colidem; balas de canhão voam em arcos parabólicos; e planetas giram em suas órbitas de acordo com equações físicas bem conhecidas.

Pesquisadores há muito refletem sobre esse estranho estado das coisas, em que algumas entidades no cosmos podem ser definidas classicamente, enquanto outras estão sujeitas a leis quânticas probabilísticas, o que significa que você pode determinar apenas possibilidades.

Mas “de acordo com a mecânica quântica, tudo é mecânico quântico”, disse Aaron Goldberg, físico da Universidade de Toronto no Canadá e principal autor do novo artigo, ao Live Science. “Só porque você não vê essas coisas estranhas todos os dias, não significa que elas não estejam lá.”

Mas “de acordo com a mecânica quântica, tudo é mecânico quântico”, disse Aaron Goldberg, físico da Universidade de Toronto no Canadá e principal autor do novo artigo, ao Live Science. “Só porque você não vê essas coisas estranhas todos os dias, não significa que elas não estejam lá.”

O que Goldberg quer dizer é que objetos clássicos como bolas de sinuca são secretamente sistemas quânticos, então existe uma probabilidade infinitesimal de que eles vão, digamos, fazer um túnel através da lateral da mesa de sinuca. Isso sugere que existe um contínuo, com “classicidade” de um lado e “quantum” do outro.

Há pouco tempo, um dos coautores de Goldberg, Luis Sanchez-Soto, da Universidade Complutense de Madri, na Espanha, ministrava uma palestra quando um participante perguntou a ele qual seria o estado mais quântico em que um sistema poderia chegar.

Tentativas anteriores de quantificar o quantum sempre observaram sistemas quânticos específicos, como aqueles que contêm partículas de luz, e assim os resultados não poderiam ser necessariamente aplicados a outros sistemas que incluíam partículas diferentes como átomos. Goldberg, Sanchez-Soto e sua equipe procuraram, em vez disso, uma maneira generalizada de definir extremos em estados quânticos.

“Podemos aplicar isso a qualquer sistema quântico — átomos, moléculas, luz ou mesmo combinações dessas coisas — usando os mesmos princípios orientadores”, disse Goldberg. A equipe descobriu que esses extremos quânticos podem vir em pelo menos dois tipos diferentes, nomeando alguns reis e outros rainhas por sua natureza superlativa.

Eles relataram suas descobertas em 17 de novembro na revista AVS Quantum Science . 

Então, o que exatamente significa algo ser “o mais quântico”? É aqui que o trabalho fica complicado, já que é altamente matemático e difícil de visualizar. 

Mas Pieter Kok, um físico da Universidade de Sheffield, na Inglaterra, que não estava envolvido no trabalho, sugeriu uma maneira de tentarmos compreendê-lo. Um dos sistemas físicos mais básicos é um oscilador harmônico simples — ou seja, uma esfera na extremidade de uma mola movendo-se para frente e para trás, disse Kok ao Live Science. 

Uma partícula quântica estaria no extremo clássico se se comportasse como este sistema de bola e mola, encontrado em pontos específicos no tempo com base no chute inicial que recebeu. Mas se a partícula fosse espalhada mecanicamente de forma quântica de maneira que não tivesse uma posição bem definida e fosse encontrada ao longo do caminho da mola e da bola, ela estaria em um desses estados extremos quânticos.

Apesar de sua peculiaridade, Kok considera os resultados bastante úteis e espera que tenham uma aplicação generalizada. Saber que existe um limite fundamental onde um sistema está agindo da forma mais quântica possível é como saber que a velocidade da luz existe, disse ele.

“Isso coloca restrições em coisas que são complicadas de analisar”, acrescentou. 

Goldberg disse que as aplicações mais aparentes deveriam vir da metrologia quântica, onde os engenheiros tentam medir constantes físicas e outras propriedades com extrema precisão. Os detectores de ondas gravitacionais, por exemplo, precisam ser capazes de medir a distância entre dois espelhos melhor que 1 / 10.000 do tamanho de um núcleo atômico (em nível de precisão). Usando os princípios do artigo os físicos podem ser capazes de aprimorar esse feito impressionante. 

Mas as descobertas também podem ajudar pesquisadores em áreas como comunicações por fibra óptica, processamento de informações e computação quântica. “Provavelmente há muitas aplicações sobre os quais ainda nem pensamos”, disse Goldberg, entusiasmado.