Schrödinger’s kittens have never been very cute, and the latest litter is no exception. Imagens de nuvens nebulosas de átomos ultracold ou tiras microscópicas de silício são improváveis de se tornarem virais na internet. No entanto, estes objectos exóticos merecem ser acesos, porque mostram com clareza sem precedentes que a mecânica quântica não é apenas a física dos extremamente pequenos.
“Schrödinger gatinhos,” vagamente falando, são objetos acamparam-se a meio caminho de tamanho entre a escala atômica, que a mecânica quântica foi originalmente desenvolvido para descrever, e o gato que Erwin Schrödinger famosa invocada para realçar o aparente absurdo de que a teoria parecia sugerir. Estes sistemas são “mesoscopic” — talvez em torno do tamanho de vírus ou bactérias, composta de muitos milhares, ou mesmo bilhões de átomos, e, portanto, muito maior do que o típico escalas contraditório quantum-propriedades mecânicas costumam aparecer. Eles são projetados para sondar a questão: Quão grande você pode chegar enquanto ainda preserva essas propriedades quânticas?
para julgar pelos últimos resultados, a resposta é: muito grande. Dois tipos distintos de experimentos — ambos realizados por vários grupos independentemente — mostraram que um grande número de átomos pode ser colocado em estados quânticos coletivos, onde não podemos definitivamente dizer que o sistema tem um conjunto de Propriedades ou outro. Em um conjunto de experimentos, isso significava “enredar” duas regiões de uma nuvem de átomos frios para fazer suas propriedades interdependentes e correlacionadas de uma forma que parece sem heedless de sua separação espacial. No outro, objetos vibratórios microscópicos foram manobrados em suposições de Estados vibracionais. Ambos os resultados são vagamente análogos à forma como o gato infame de Schrödinger, enquanto escondido em sua caixa, foi dito estar em uma superposição de Estados vivos e mortos.
A questão de como as regras da mecânica quântica transformar aparentemente bastante diferentes regras da mecânica clássica — onde os objectos têm propriedades definidas, posições e caminhos — tem intrigado os cientistas desde a teoria quântica foi desenvolvida no início do século 20. Existe alguma diferença fundamental entre grandes objetos clássicos e pequenos objetos quânticos? Este enigma da chamada transição quântica-clássica foi destacado de forma icônica pelo experimento de pensamento de Schrödinger.o pobre gato é uma besta muito incompreendida. O ponto de Schrödinger não era, como muitas vezes implicava, o aparente absurdo da mecânica quântica se extrapolado para a escala diária. O gato foi o produto da correspondência entre Schrödinger e Albert Einstein, depois de Einstein ter criticado a interpretação da mecânica quântica defendida pelo físico dinamarquês Niels Bohr e seus colegas.Bohr argumentou que a mecânica quântica parece nos forçar a concluir que as propriedades de objetos quânticos como elétrons não têm valores bem definidos até que os medamos. Para Einstein, parecia uma loucura que algum elemento da realidade dependesse da nossa intervenção consciente para trazê-la à existência. Com dois colegas mais jovens, Boris Podolsky e Nathan Rosen, ele apresentou uma experiência de pensamento em 1935 que parecia tornar essa interpretação impossível. Três deles (cujo trabalho agora vai pelo coletivo rótulo EPR) observou que as partículas podem ser criadas em estados que devem ser correlacionados uns com os outros, no sentido de que, se um deles tem um valor especial para alguma propriedade, os outros devem ter algum outro valor específico. No caso de dois elétrons, que têm uma propriedade chamada spin, um spin pode apontar “para cima” enquanto os outros pontos de spin do elétron “para baixo”.”
nesse caso, de acordo com Einstein e seus colegas, se Bohr está certo e as direções reais das voltas são indeterminadas até que você as mede, então a correlação das duas voltas significa que medir uma delas fixa instantaneamente a orientação da outra — não importa quão longe a partícula está. Einstein chamou essa conexão aparente de “ação assustadora à distância”.”Mas tal fenômeno deve ser impossível, porque a teoria da relatividade especial de Einstein mostra que nenhuma influência pode propagar-se mais rápido do que a luz.
Schrödinger chamou esta correlação entre as partículas de “entrelaçamento”. Experimentos desde a década de 1970 mostraram que é um fenômeno quântico real. Mas isto não significa que as partículas quânticas possam influenciar-se instantaneamente através do espaço através da acção assustadora de Einstein. É melhor dizer que as propriedades quânticas de uma única partícula não são necessariamente determinadas em um lugar fixo no espaço, mas podem ser “não locais”: totalmente especificadas apenas em relação a outra partícula em outro lugar, de uma maneira que parece minar nossa noção intuitiva de espaço e distância.o gato de Schrödinger surgiu de suas reflexões sobre as peculiaridades do enredamento de EPR. Schrödinger queria mostrar como a noção de Bohr de que nada é fixo até ser medido poderia levar ao absurdo lógico se imaginássemos explodir o entrelaçamento até o tamanho do dia-a-dia. Sua experiência de pensamento coloca o gato infeliz em uma caixa fechada com um frasco de veneno letal, que pode ser quebrado por algum mecanismo que o liga a — na verdade, enredá — lo com-uma partícula quântica ou evento. O gatilho pode vir de um electrão, quebrando o frasco se tiver rotação ascendente, mas não se tiver rotação descendente. Você pode então preparar o elétron em uma assim chamada superposição de estados, em que tanto o spin ascendente quanto o spin descendente são possíveis resultados de uma medição. Mas se a rotação é indeterminada antes da medição, então assim deve ser o status do gato — não há nenhuma maneira que você pode dizer significantemente se ele está vivo ou morto. E isso não faz sentido.
O ponto de Schrödinger não era simplesmente que as regras quânticas levam a um aparente disparate quando aplicadas na escala diária — você não precisa de um gato para isso. Em vez disso, ele queria encontrar uma demonstração extrema de como adiar qualquer atribuição de um estado definido (vivo ou morto) até que a medição tenha sido feita (abrindo a caixa para olhar) poderia levar a implicações que parecem não só estranhas, mas logicamente proibidas.
a Bohr isto teria parecido um cenário inválido-medição, como abrir a caixa e olhar para o gato, foi para ele sempre um macroscópico e, portanto, um processo clássico, de modo que as regras quânticas não mais se aplicariam. Mas então como é que a medição garante que a transformação mágica do quântico para clássico?por que não fazer a experiência? O problema é que, embora fosse tudo muito bom para Schrödinger imaginar fazer um gato “quântico” ligando-o a algum evento de escala atômica, não é claro como — ou se — podemos fazer isso aumentando na prática, ou realmente o que uma superposição de vivos e mortos poderia significar em termos de estados quânticos.mas com técnicas modernas, podemos imaginar a criação de superposições quânticas bem definidas de objetos relativamente grandes-não tão grandes como gatos, mas muito maiores que átomos isolados — e a sondar as suas propriedades. É disso que se trata nos esforços para criar os gatinhos de Schrödinger.”muitos físicos não esperam surpresas em grandes escalas”, disse Simon Gröblacher da Universidade de tecnologia de Delft, na Holanda. “Mas simplesmente não se sabe o que vai acontecer se você começar a fazer estados quânticos com cerca de 1023 átomos,” que é a escala típica dos objetos do dia-a-dia.
os novos experimentos mostram que, apesar do que Schrödinger pensava, objetos relativamente grandes podem de fato exibir comportamento quântico contraintuitivo.Gröblacher e os seus colegas criaram micróbios de silício, cada um com 10 micrómetros de comprimento e 1 por 0,25 micrómetros de secção transversal. Cada um apresentava buracos ao longo dos feixes que absorveriam e captariam Luz Laser Infravermelha. Os pesquisadores então excitaram aqueles feixes com luz enviada em uma superposição de caminhos, um para cada feixe. Ao fazer isso, eles foram capazes de enredar dois feixes em um único estado vibracional quântico. Você poderia pensar nele como o equivalente muito pequeno de dois gatos enredados.
outro tipo de entrelaçamento entre osciladores mecânicos foi relatado, em documentos back-to-back com a equipe de Gröblacher na natureza, por Mika Sillanpää da Universidade de Aalto na Finlândia e colegas. Eles acoplaram duas placas de metal microscópicas tipo drumhead através de um fio supercondutor. O fio pode conter uma corrente elétrica oscilando em frequências de microondas (cerca de 5 bilhões de vibrações por segundo); seu campo eletromagnético exerce uma pressão sobre as placas vibrantes. “Os campos eletromagnéticos atuam como uma espécie de meio que força as duas drumheads no estado quântico entrelaçado”, disse Sillanpää.pesquisadores têm procurado por muito tempo alcançar efeitos quânticos tais como superposição e entrelaçamento em osciladores micromecânicos “grandes” como estes, que têm bilhões de átomos neles. “Estados entrelaçados de osciladores mecânicos têm sido discutidos teoricamente desde o final da década de 1970, mas apenas nos últimos anos tem sido tecnicamente possível criar tais estados”, disse Sillanpää.
O que torna estes experimentos tão turísticos é que eles evitam o processo que geralmente transforma grandes objetos de aqueles governados por regras quânticas em aqueles que obedecem à física clássica. Este processo parece fornecer a parte em falta (pelo menos, a maior parte dela) do quebra-cabeça de medida, que Bohr deixou tão loucamente vago.
é chamado de decoerência-e, bastante elegante, é tudo sobre entrelaçamento. De acordo com a mecânica quântica, o entrelaçamento é um resultado inevitável de qualquer interação entre dois objetos quânticos. Então, se um objeto-um gato, digamos-começa em uma superposição de Estados, essa superposição — essa quantumidade, você pode dizer — se-se espalha à medida que o objeto interage com seu ambiente e se torna cada vez mais enredado com ele. Mas se você quer realmente observar a superposição, você vai precisar deduzir o comportamento quântico de todas as partículas enredadas. Isso rapidamente se torna impossível, da mesma forma que se torna impossível rastrear todos os átomos em uma mancha de tinta enquanto se dispersa em uma piscina. Por causa da interação com o ambiente, a natureza quântica da partícula original vaza e é dispersa. Isso é incoerência.os teóricos quânticos têm mostrado que a decoferência dá origem ao tipo de comportamento visto na física clássica. E os experimentalistas provaram isso em experimentos que podem controlar a taxa de decoerência, onde os efeitos quânticos característicos, tais como a interferência ondulatória das partículas gradualmente desaparecem à medida que a decoerência prossegue.
Decoherence, then, is central to the current understanding of the quantum-classical transition. A habilidade de um objeto de mostrar comportamento quântico, como interferência, superposição e correlações induzidas pelo entrelaçamento, não tem nada a ver com o tamanho do objeto. Em vez disso, depende de como está enredado com o seu ambiente.
no entanto, o tamanho geralmente desempenha um papel, porque quanto maior um objeto é, mais facilmente ele pode ficar enredado com seu ambiente e decohere. Um objeto grande, quente e inquieto como um gato não tem a esperança de permanecer em uma superposição mecânica quântica de qualquer tipo e irá decoar mais ou menos instantaneamente.se você simplesmente colocar um gato em uma caixa e ligar seu destino ao resultado de algum evento quântico, não é provável que você colocá-lo em uma superposição de Vivo e morto, porque a decoferência vai forçá-lo quase instantaneamente em um estado ou outro. Se pudesse suprimir a incoerência removendo toda a interacção com o ambiente (sem matar o gato num vácuo ultracold!- bem, então é outra história e os argumentos persistem. É quase impossível imaginar como conseguir isso para um gato. Mas isso é em essência o que as equipes de Gröblacher e Sillanpää conseguiram com seus osciladores minúsculos.
em vez de trabalhar para a fronteira quântico-clássica de cima para baixo, vendo se podemos conjurar quantumness em um objeto vibratório quando é pequeno o suficiente, podemos chegar a ele de baixo para cima. Uma vez que sabemos que efeitos quânticos como a superposição e a interferência são facilmente vistos em átomos individuais e até em moléculas pequenas, podemos perguntar-nos até onde esses efeitos podem ser sustentados à medida que continuamos a adicionar mais átomos. Três equipes já exploraram esta questão, alcançando estados quânticos para nuvens de até dezenas de milhares de átomos ultracold, entrelaçando-os em um estado chamado condensado de Bose-Einstein (BEC).Einstein e o físico indiano Satyendra Nath Bose apontaram que tal estado pode existir entre os bósons (nomeado para Bose), uma das duas classes gerais de partículas fundamentais. Em uma BEC, todas as partículas estão no mesmo estado quântico único, o que significa de fato que elas agem como um grande objeto quântico. Porque é um efeito quântico de Bose-Einstein condensação acontece apenas em temperaturas muito baixas, e uma BEC só foi visto em sua forma mais pura — uma nuvem de bosonic partículas — em 1995, em átomos de rubídio refrigerado a apenas alguns bilhonésimos de um grau acima do zero absoluto.BECs made from such ultracold atoms have given physicists a new medium for investigating quantum phenomena. No passado, pesquisadores têm mostrado que tal nuvem-talvez vários milhares de átomos-pode ser colocada em um estado em que todos os átomos estão entrelaçados quânticos.estes gatinhos não são estritamente de Schrödinger, disse Carsten Klempt da Universidade Leibniz Hannover, na Alemanha. Esses são geralmente definidos como superposições de estados que são tão diferentes quanto poderia ser: por exemplo, todos com spin ascendente e todos com spin descendente (análogo a “Vivo” e “morto”). Não é o caso nestas nuvens entrelaçadas de átomos. No entanto, eles ainda mostram um comportamento quântico em uma escala relativamente grande.
Há uma condição mais importante, no entanto, para a idéia de que eles são “kitten-scale” personificações do entrelaçamento estilo EPR. Os átomos estão todos misturados no espaço e são idênticos e indistinguíveis. Isto significa que, mesmo que estejam enredados, você não pode vê-lo em termos de correlação entre a propriedade de um objeto aqui e outro ali. “Condensados de Bose-Einstein de átomos ultracold consistem em grandes conjuntos de átomos indistinguíveis, literalmente iguais em qualquer física observável”, disse Klempt. “Portanto, a definição original de entrelaçamento não pode ser realizada neles.”Na verdade, todo o conceito de entrelaçamento entre partículas indistinguíveis tem sido teoricamente contestado. “Isso porque a noção de entrelaçamento requer a possibilidade de definir os subsistemas que estão entrelaçados uns com os outros”, disse Philipp Kunkel da Universidade de Heidelberg, na Alemanha.
Um muito mais clara do tipo de emaranhamento, diretamente análogo ao de emaranhamento do espacialmente separadas as partículas em EPR experiência de pensamento, já foi demonstrada em três experimentos por Klempt equipe em Hannover, Kunkel do grupo (liderada por Markus Oberthaler), em Heidelberg, e uma equipe liderada por Philipp Treutlein na Universidade de Basel, na Suíça. “O conflito com a física clássica é particularmente impressionante quando o entrelaçamento é observado entre tais sistemas separados espacialmente”, disse Treutlein. “Esta é a situação que o documento EPR de 1935 considera.”
Todos os três grupos utilizaram nuvens de centenas a milhares de átomos de rubídio mantidos em Campos Electromagnéticos de armadilhagem (produzidos por dispositivos microscópicos num “chip Atómico” ou gerados por feixes laser cruzados). Os pesquisadores usaram lasers infravermelhos para excitar transições quânticas nos giros dos átomos e procuraram as correlações entre os valores de spin que são o sinal revelador de entrelaçamento. Enquanto os grupos de Heidelberg e Basileia abordavam duas regiões diferentes em uma única grande nuvem, o grupo de Klempt realmente dividia a nuvem inserindo uma região de espaço vazio no meio.os grupos de Basileia e Heidelberg demonstraram entrelaçamento através de um efeito chamado direção quântica, no qual a aparente interdependência das duas regiões entrelaçadas é explorada de modo que as medições feitas em um deles permitem aos pesquisadores prever as medições do outro. “O termo ‘direção’ foi introduzido por Schrödinger”, explicou Treutlein. “Refere-se ao fato de que, dependendo do resultado da medição na região A, o estado quântico que usamos para descrever mudanças no sistema B.”Mas isso não implica que haja qualquer transferência instantânea de informação ou comunicação entre a e B.” não se pode orientar deterministicamente o estado do sistema distante, uma vez que o resultado da medição ainda é probabilístico”, disse Kunkel. “Não há influência causativa.”estes resultados são “muito emocionantes”, disse Jens Eisert da Universidade Livre de Berlim, que não estava envolvido no trabalho. “O entrelaçamento em vapores atômicos foi gerado muito antes”, disse ele, ” mas o que é diferente aqui são os níveis de endereçabilidade e controle nesses sistemas.”
aparte da demonstração mais clara de entrelaçamento quando existe entre regiões separadas espacialmente, há também uma vantagem prática em fazer as coisas desta forma: você pode abordar as regiões separadas individualmente para o processamento de informação quântica. “Não é possível, mesmo em princípio, abordar átomos individuais na BEC sem afetar todos os outros átomos, se eles estão todos no mesmo local”, disse Treutlein. “No entanto, se pudermos abordar individualmente as duas regiões separadas espacialmente, o entrelaçamento torna-se disponível para tarefas de informação quântica como teletransporte quântico ou troca de enredos.”Que, no entanto, exigirá que a separação física das nuvens seja aumentada para além do que foi feito nas experiências atuais, acrescentou. Idealmente, Klempt disse, você dividiria a nuvem ainda mais em átomos endereçáveis individualmente.objetos quânticos” grandes ” como estes também podem nos permitir sondar a nova física: para descobrir, por exemplo, o que acontece quando a gravidade começa a se tornar uma influência significativa no comportamento quântico. “Com esta nova forma de controlar e manipular grandes estados entrelaçados, poderia haver espaço para testes sofisticados de efeitos quânticos em teorias gravitacionais”, disse Eisert. Tem sido proposto, por exemplo, que os efeitos gravitacionais podem induzir um colapso físico dos estados quânticos em Estados clássicos, uma ideia que é, em princípio, passível de experimentar sobre superposições ou estados entrelaçados de grandes massas. Treutlein disse que uma maneira de testar modelos de colapso físico envolve interferência entre “ondas de matéria” atômicas distintas-e, acrescentou, A Divisão de seu grupo, enredada BEC pode atuar como tal um interferômetro atômico. “A maioria dos físicos provavelmente não esperará um colapso repentino da física quântica” à medida que o tamanho do sistema aumenta, Klempt disse. Mas Kunkel acrescentou que “ainda é uma questão em aberto, experimentalmente e teoricamente, se há uma fundamental limite para o tamanho dos objetos que podem ser enredados uns com os outros.”
” A questão mais interessante é se há algum tamanho fundamental onde não se pode em algum sentido fazer entrelaçamento”, disse Sillanpää. “Isso significaria que algo mais além da mecânica quântica normal entra na imagem, e isso poderia ser, por exemplo, colapso devido à gravidade.”Se a gravidade desempenha um papel, isso pode oferecer algumas dicas de como desenvolver uma teoria da gravidade quântica que une as teorias atualmente incompatíveis da mecânica quântica e da relatividade geral.isso seria um grande golpe para os gatinhos de Schrödinger. Por agora, eles reforçam a crença geral de que não há nada de especial no comportamento quântico, além do fato de que ele gira-se em um berço de gato cada vez mais enrolado do qual nossa web clássica emerge. E nenhum gato precisa ser morto no processo.