Uma maneira de sondar o reino quântico

Em 1930, o físico teórico alemão Werner Heisenberg introduziu um experimento de reflexão, agora conhecido como microscópio de Heisenberg, para tentar mostrar por que é impossível medir a localização de um átomo com precisão ilimitada.

© Revista Física (sondando o reino quântico)

Heisenberg tentou medir a posição de algo como um átomo, atirando luz nele. A luz viaja como uma onda, e Heisenberg sabia que diferentes comprimentos de onda poderia dar-lhe diferentes graus de confiança quando usado para medir onde algo está no espaço. Comprimentos de onda curtos podem fornecer uma medição mais precisa do que os longos, com o intuito de usar a luz com um pequeno comprimento de onda para medir a estrutura de um átomo. Mas há um problema: a luz também carrega momentum, e comprimentos de onda curtos carregam mais força do que os longos.
Isso significa que se for utilizada a luz com um comprimento de onda curto para encontrar o átomo, incidirá no átomo uma força com todo esse ímpeto, que irá chutá-lo ao redor e mudará completamente a sua localização (e outras propriedades) no processo. Usar comprimentos de onda mais longos, o átomo se moverá menos, mas também sua medição será mais incerta.

Isso é um dilema: qualquer medição muda o que você está medindo, e melhores medições conduz à mudanças maiores.

Também é possível preparar átomos num estado emaranhado, o que significa que eles agem cooperativamente como um único átomo, não importa o quão longe eles estão uns dos outros. Ao empurrar um, o restante se movimenta como se tivesse empurrado individualmente. E se um átomo se desordenar, ao lançar um pouco de luz nele, geralmente toda a coleção será desordenada.

No passado, estes dois efeitos tornaram impossível medir como os átomos emaranhados estão organizados sem destruir o arranjo e o emaranhamento, que presumivelmente foram preparados para algum propósito específico, como a construção de um computador quântico.

Mas agora, os físicos liderados por T. J. Elliott, da Universidade de Oxford, no Reino Unido propuseram uma maneira de medir as propriedades em grande escala de um grupo de átomos entrelaçados sem estragar o emaranhamento. Não é medir átomos individuais, que é permanentemente fora dos limites, mas é mais do que os físicos conseguiram fazer antes.

Normalmente, quando os átomos são emaranhados, têm que ter cuidado inicialmente para que os átomos são todos mais ou menos iguais. Se existirem muitos tipos diferentes de átomos, eles se tornam muito mais difícil de igualar-se, portanto, o entrelaçamento torna-se mais frágil.
Mas ainda é possível tornar os grupos estáveis ​​de átomos entrelaçados que têm alguns valores discrepantes entre eles. Os pesquisadores demonstraram que estes valores atípicos podem ser usados para medir aspectos sobre o grupo principal sem desordenar o seu emaranhamento.

Isso inclui informações muito básicas, como a densidade de ocupação dos átomos, enquanto eles estão emaranhados, que historicamente tem sido fora do alcance dos físicos nas experiências individuais.

Antes, os físicos tiveram que medir um grupo inteiro dos átomos emaranhados muito rapidamente, admitindo que eles estavam a alterando as propriedades ao redor, assim que era medido esse primeiro átomo. Mais medições podem verificar mais átomos, mas elas estariam cada vez mais incertas ao longo do tempo.

É óbvio, medições ainda mudam as propiedades um pouco, pois a luz ainda está sendo utilizada e o microscópio de Heisenberg ainda  está sendo aplicado, mas as medições não vão destruir todo o sistema, como eles fariam antes.

Este método de medição dos valores extremos é uma janela num novo reino para os físicos, que podiam anteriormente só ver o que  átomos emaranhados faziam, não o que eles estão fazendo.

Os pesquisadores simulou um sistema simples mostrando matematicamente que isso deve funcionar com uma ampla gama de sistemas quânticos onde o emaranhamento desempenha um papel fundamental. E pequenas alterações no método pode torná-lo possível medir as propriedades como a magnetização de átomos emaranhados, em vez de apenas a sua densidade.

Fonte: Physical Review A