Protocolo poderia tornar mais fácil testar a natureza quântica de objetos grandes – Physics World

Um protocolo para testar a natureza quântica de grandes objetos – que, em princípio, poderia funcionar para objetos de qualquer massa – foi proposto por investigadores no Reino Unido e na Índia. Uma característica fundamental do protocolo é que evita a necessidade de criar um estado quântico macroscópico para testar se a mecânica quântica é válida ou não em grandes escalas. Alguns físicos, porém, não estão convencidos de que a pesquisa constitua um avanço significativo.

A mecânica quântica faz um trabalho fantástico ao descrever átomos, moléculas e partículas subatômicas como os elétrons. No entanto, objetos maiores geralmente não apresentam comportamento quântico, como emaranhamento e superposição. Isto pode ser explicado em termos de decoerência quântica, que ocorre quando estados quânticos delicados interagem com ambientes ruidosos. Isso faz com que os sistemas macroscópicos se comportem de acordo com a física clássica.

A forma como a mecânica quântica se decompõe em escalas macroscópicas não é apenas teoricamente fascinante, mas também crucial para as tentativas de desenvolver uma teoria que reconcilie a mecânica quântica com a teoria geral da relatividade de Albert Einstein. Os físicos estão, portanto, interessados ​​em observar o comportamento quântico em objetos cada vez maiores.

Desafio formidável

Criar estados quânticos macroscópicos e preservá-los por tempo suficiente para observar seu comportamento quântico é um desafio formidável quando se lida com objetos muito maiores do que átomos ou moléculas mantidos em uma armadilha. Na verdade, o emaranhado quântico de peles macroscópicas vibrantes (cada uma com 10 mícrons de tamanho) por dois grupos independentes – um nos EUA e outro na Finlândia – foi escolhido como Physics World avanço do ano 2021 pela capacidade experimental das equipes.

O novo protocolo é inspirado na desigualdade de Leggett-Garg. Esta é uma modificação da desigualdade de Bell, que avalia se dois objetos estão emaranhados mecanicamente quântica a partir da correlação entre as medições de seus estados. Se a desigualdade de Bell for violada, as medições estão tão bem correlacionadas que, se os seus estados fossem independentes, a informação teria de viajar mais rápido do que a luz entre os objetos. Como a comunicação superluminal é considerada impossível, uma violação é interpretada como evidência de emaranhamento quântico.

A desigualdade de Leggett-Garg aplica o mesmo princípio a medições sequenciais do mesmo objeto. Uma propriedade do objeto é primeiramente medida de uma forma que – se for um objeto clássico (não quântico) – seja não invasiva. Mais tarde, outra medição é feita. Se o objeto for uma entidade clássica, então a primeira medição não altera o resultado da segunda medição. No entanto, se o objeto for definido por uma função de onda quântica, o próprio ato de medição irá perturbá-lo. Como resultado, as correlações entre medições sucessivas podem revelar se o objeto obedece à mecânica clássica ou quântica.

Nanocristal oscilante

Em 2018, o físico teórico Sougato Bose da University College London e colegas propuseram fazer tal teste em um nanocristal resfriado que oscila para frente e para trás em uma armadilha óptica harmônica. A posição do nanocristal seria determinada focando um feixe de luz em um lado de uma armadilha. Se a luz passar sem dispersão, o objeto está do outro lado da armadilha. Observando posteriormente o mesmo lado da armadilha, pode-se calcular se a desigualdade de Leggett-Garg foi violada ou não. Se assim for, uma não detecção inicial do objeto teria perturbado o seu estado quântico e, portanto, o nanocristal apresentaria um comportamento quântico.

O problema, diz Bose, é que a massa deve ser medida duas vezes no mesmo lado da armadilha. Isto é viável apenas para massas com curtos períodos de oscilação porque o estado quântico deve permanecer coerente durante toda a medição. No entanto, grandes massas de interesse terão períodos demasiado longos para que isto funcione. Agora, Bose e colegas propõem que a segunda medição seja feita em um local que, se o objeto obedecer à mecânica clássica, se espera que tenha alcançado.

“É muito melhor ir até o local para onde ele iria devido à sua oscilação normal e descobrir o quanto ele difere naquele local”, diz Bose.

A vantagem deste esquema é que, enquanto o objecto permanecer num estado coerente, deverá ser possível fazer a experiência para objectos de qualquer massa, uma vez que é sempre possível calcular a posição esperada de um oscilador harmónico clássico. Torna-se mais difícil isolar objetos maiores, mas Bose acredita que estes estados aparentemente clássicos seriam mais robustos ao ruído do que estados quânticos macroscópicos exóticos, como as superposições.

Acompanhando a evolução do sistema

Físico quântico Vlatko Vedral da Universidade de Oxford concorda que a abordagem dos pesquisadores poderia oferecer benefícios em relação aos experimentos que tentam usar estados quânticos macroscópicos espacialmente separados. No entanto, ele diz que “o que se torna importante nestas medições não é tanto o estado inicial, mas a sequência de medições que você faz”, e que acompanhar a evolução do sistema após a primeira medição para que as correlações sejam reveladas “não é um problema trivial”.

Como medir o comportamento quântico em nanocristais

Ele também é cético quanto à reivindicação de independência em massa. “Não sei na prática até que ponto isto é fácil de conseguir”, diz ele, “mas está simplesmente relacionado com o tamanho, porque quanto mais subsistemas tivermos, mais fugas teremos para o ambiente”.

Tony Leggett (que co-desenvolveu a desigualdade na década de 1980 com Anupam Garg) é um especialista nos fundamentos da mecânica quântica que partilhou o Prémio Nobel de 2003 pelo seu trabalho sobre supercondutividade e superfluidos. Agora professor emérito da Universidade de Illinois, ele vê outro problema no trabalho de Bose e colegas. “Está muito claro que estes investigadores estão convencidos de que a mecânica quântica vai continuar a funcionar – não estou tão confiante”, diz ele.

Leggett observa, no entanto, que as evidências do colapso da mecânica quântica seriam interpretadas pela maioria da comunidade física como o resultado da decoerência – que poderia ser causada por uma medição invasiva. Ao contrário das experiências em estados conhecidos – das quais fez parte – ele diz que Bose e colegas não apresentam meios para testar o quão invasiva é a sua medição, por exemplo, utilizando o mesmo protocolo de medição num conjunto diferente de estados.

A pesquisa está descrita em um artigo que foi aceito para publicação em Physical Review Letters. A a pré-impressão está disponível em arXiv.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/