Físicos fizeram um exército voador de gatos de Schrödinger a laser

Um pulso de laser ricocheteou em um átomo de rubídio e entrou no mundo quântico - assumindo a estranha física do "gato de Schrödinger". Então outro fez a mesma coisa. Então outro.

Os pulsos de laser não fizeram crescer bigodes ou patas. Mas eles se tornaram como o famoso experimento mental da física quântica, o gato de Schrödinger de uma maneira importante: eles eram grandes objetos que agiam como criaturas simultaneamente mortas e vivas da física subatômica - existindo em um limbo entre dois estados simultâneos e contraditórios. E o laboratório na Finlândia onde nasceram não tinha limite de quantos eles poderiam fazer. Pulso após pulso se transformou em uma criatura do mundo quântico. E esses "gatos quânticos", embora existissem por apenas uma fração de segundo dentro da máquina experimental, tinham o potencial de ser imortais.

“Em nosso experimento, o [gato a laser] foi enviado ao detector imediatamente, então foi destruído logo após sua criação”, disse Bastian Hacker, pesquisador do Instituto Max Planck de Óptica Quântica na Alemanha, que trabalhou no experimento. [Fato ou ficção científica? A plausibilidade de 10 conceitos de ficção científica]

Mas não precisava ser assim, disse Hacker .

"Um estado óptico pode viver para sempre. Portanto, se tivéssemos enviado o pulso para o céu noturno, ele poderia viver bilhões de anos em seu estado [de gato]."

Essa longevidade é parte do que torna esses pulsos tão úteis, acrescentou. Um gato a laser de vida longa pode sobreviver a viagens de longo prazo através de uma fibra óptica, tornando-se uma boa unidade de informação para uma rede de computadores quânticos.

Gato quântico, morto e vivo

Então, o que significa fazer um pulso de laser como o gato de Schrödinger? Em primeiro lugar, o gato não era um animal de estimação. Foi um experimento mental que o físico Erwin Schrödinger propôs em 1935 para apontar a pura irracionalidade da física quântica que ele e seus colegas estavam apenas descobrindo. [Como funciona o entrelaçamento quântico (infográfico)]

É assim que funciona: a física quântica determina que, sob condições particulares, uma partícula pode ter duas características contraditórias ao mesmo tempo. O giro de uma partícula (uma medida quântica que não se parece muito com o giro que vemos na escala macro) pode estar "para cima" enquanto também "para baixo". Somente quando seu spin é medido, a partícula entra em colapso de uma forma ou de outra.

Os físicos têm várias interpretações desse comportamento, mas a mais popular (chamada de interpretação de Copenhagen) diz que a partícula não gira realmente para cima ou para baixo antes de ser observada. Até então, está em uma espécie de submundo nebuloso entre os estados, e só decide sobre um ou outro quando forçado por um observador externo.

Schrödinger percebeu que isso tinha algumas implicações bizarras.

Ele imaginou uma caixa de aço opaca, contendo um gato, um átomo e um frasco de vidro selado com gás venenoso. Se o átomo decaísse (uma possibilidade, mas não uma coisa certa, graças à mecânica quântica), um mecanismo na caixa quebraria o vidro, matando o gato. Se o átomo não decaísse, o gato viveria. Deixe o gato na caixa por uma hora, disse Schrödinger, e o gato terminaria em uma "superposição" entre a vida e a morte.

O problema com isso, ele estava sugerindo, é que não faz sentido algum.

E, no entanto, o gato de Schrödinger se tornou uma espécie de abreviatura útil para coisas em escala macro que obedecem às leis da física clássica, mas interagem com objetos quânticos de tal forma que eles não têm nem uma característica nem outra totalmente.

No novo experimento, descrito em um artigo publicado em 14 de janeiro na revista Nature Photonics, os pesquisadores criaram pulsos de laser que estão em superposição entre dois estados quânticos possíveis. Eles chamaram os pequenos pulsos de "estados de gato óptico voador".

Para fazê-los, eles primeiro confinaram o átomo de rubídio a uma cavidade entre dois espelhos de apenas 0,5 milímetros de largura (aproximadamente a largura de um grão de sal). O átomo pode estar em um de três estados: dois estados "básicos" ou um estado "excitado". Quando a luz entrou na cavidade, ficou emaranhada com o átomo, o que significa que seu estado estava fundamentalmente ligado ao estado do átomo.

Então, quando o pulso de luz atingiu um detector de luz, ele tinha sinais reveladores de intermediários, nenhum deles agindo inteiramente como se estivesse emaranhado com um tipo de átomo ou outro. Era um gato voador feito de luz.

Esse intermediário tem a ver com a posição das ondas de luz, disse Hacker. Depois de desviar o olhar do átomo, a luz continuou a se mover através do espaço como uma onda: colina e vale, colina e vale.

Mas ficou incerto se a qualquer momento a onda de luz estava atingindo o topo de uma colina ou descendo em um vale, disse Hacker .

A luz agia como se tivesse pelo menos duas ondas diferentes compondo-a, cada uma uma imagem espelhada da outra.

(Na realidade, a luz poderia ter formas ainda mais possíveis: sua onda sempre teve pelo menos alguma chance de ocupar todos os pontos entre o topo de uma "colina" e o fundo de um "vale". Mas duas ondas espelhadas representavam o dois estados incertos mais prováveis.)

Os pesquisadores disseram que, no futuro, essa capacidade de enviar gatos em movimento de um lugar para outro pode ser útil para redes quânticas. Isso porque a rede quântica provavelmente dependerá do envio de luz para frente e para trás entre os computadores quânticos, disse Hacker, em vez de eletricidade.

“A coisa mais fácil de enviar seriam fótons únicos, mas quando eles se perdem [o que acontece com frequência], a informação carregada desaparece”, disse ele. "Os estados Cat podem codificar informações quânticas de uma forma que nos permite detectar perdas ópticas e corrigi-las. Embora toda transmissão óptica tenha perdas, as informações podem ser transmitidas perfeitamente."

Dito isso, ainda há trabalho a ser feito. Enquanto os pesquisadores foram capazes de criar os gatos "deterministicamente", o que significa que um gato emergia sempre que realizavam seu experimento, os gatos nem sempre sobreviviam à curta viagem até o receptor de luz. A óptica é complicada e às vezes a luz apagou antes de chegar lá.

Além disso, uma pessoa razoável pode questionar se esses pulsos de luz realmente contam como gatos de Schrödinger. Eles certamente são objetos clássicos - o que significa que seguem as leis determinísticas de objetos de grande escala - mas os pesquisadores reconheceram no artigo que, em uma escala de apenas quatro fótons, o laser estava no limite da escala macroscópica e quântica; e assim eles podem ser considerados macroscópicos sob apenas a mais ampla das definições.

“Na verdade, [alguns] poucos fótons são nada perto de um objeto macroscópico do mundo real”, disse Hacker. "O ponto de pulsos ópticos coerentes como os que usamos é que a amplitude pode ser aumentada continuamente sem qualquer limite fundamental."

Em outras palavras, claro, esses são alguns gatos minúsculos. Mas não há razão para que a mesma ideia básica não possa ser usada para fazer alguns felinos Schrödinger gigantes.

Mas os pesquisadores estavam no final das contas confiantes em usar o termo, e "estado óptico de gato voador" tem um significado para isso..

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Originalmente publicado em .