Informática

Compactador ZIP detecta fronteira da física quântica

Programa Zip detecta fronteira da física quântica
O entrelaçamento de muitos fótons permite mudar nossa concepção filosófica da realidade.[Imagem: UWaterloo/IQC]

Compressão científica

A física quântica tem a reputação de misteriosa e até fantasmagórica, sobretudo após a confirmação do Efeito do Observador.

Isso torna ainda mais surpreendente que uma nova técnica para detectar o comportamento quântico dependa de uma ferramenta bem familiar: um programa do tipo "Zip", usado para compactar arquivos, que você provavelmente tem instalado em seu computador.

"Nós descobrimos uma nova maneira de ver a diferença entre o universo quântico e o universo clássico, usando nada mais do que um programa de compressão," relata o professor Dagomir Kaszlikowski, do Centro de Tecnologias Quânticas da Universidade Nacional de Cingapura.

Hou Shun Poh, aluno de Kaszlikowski, descobriu que o software de compressão, quando aplicado a dados experimentais, revela quando um sistema cruza a fronteira do nosso quadro clássico do Universo para o reino quântico - a chamada fronteira clássico-quântica.

Teorema de Bell

Em particular, a técnica detecta evidência do entrelaçamento quântico entre duas partículas. Partículas entrelaçadas apresentam um comportamento "coordenado" de uma forma que não pode ser explicada por sinais trocados entre elas ou por propriedades estabelecidas com antecedência.

Este fenômeno já foi comprovado em muitos experimentos, mas a nova abordagem faz isso sem uma suposição prévia geralmente adotada nas medições.

Programa Zip detecta fronteira da física quântica
Outra equipe já havia usado um algoritmo quântico para superar seu equivalente clássico. [Imagem: SIT]

Os experimentos geralmente são realizados com pares de partículas entrelaçadas, como pares de fótons. Medir uma das partículas de luz dará resultados que parecem aleatórios, como uma chance de 50:50 de que o fóton tenha uma polarização que aponta para cima ou para baixo, por exemplo. Porém, quando o entrelaçamento surge, a medição do segundo fóton do par produzirá um resultado correspondente ao primeiro, e não mais aleatório.

Uma relação matemática conhecida como teorema de Bell mostra que a física quântica permite que os resultados equivalham com maior probabilidade do que é possível com a física clássica.

Mas o teorema é derivado apenas para um par de partículas, enquanto os físicos precisam descobrir as probabilidades estatisticamente, ou seja, medindo muitos pares de partículas. As situações são equivalentes apenas quando cada par de partículas é idêntica e independente de todas as outras - uma situação conhecida como suposição i.i.d (independentes e identicamente distribuídos).

Teorema ZIP

Usando o programa Zip, contudo, as medições são realizadas da mesma forma, mas os resultados são analisados de maneira diferente. Em vez de converter os resultados em probabilidades, os dados brutos (na forma de listas de 1s e 0s correspondentes aos valores medidos de cada partícula) alimentam diretamente o programa de compressão de dados, como se fossem os bits de um arquivo comum de computador.

Os algoritmos de compressão, como os do programa Zip, procuram padrões nos dados para detectar repetições e codificá-los de uma forma mais eficiente. Quando aplicados aos dados do experimento, o algoritmo efetivamente detecta as correlações resultantes do entrelaçamento quântico, o que se revelou na forma de uma relação semelhante ao teorema de Bell, baseada na "diferença de compressão normalizada" entre os subconjuntos de dados.

Programa Zip detecta fronteira da física quântica
Antes considerada uma das esquisitices da mecânica quântica, hoje a função de onda é considerada como uma entidade real. [Imagem: NERSC]

Se o Universo fosse totalmente clássico, o valor gerado pela equação deveria ficar abaixo de zero. Já um comportamento quântico permite valores de até 0,24.

A equipe encontrou um valor superior a zero - 0,0494 ± 0,0076 - provando que o sistema medido cruzou a fronteira clássico-quântica. O valor é menor do que o máximo previsto, segundo os físicos, porque a compressão não atinge o limite teórico e os estados quânticos não podem ser gerados e detectados perfeitamente.

Abordagem algorítmica

Ainda não está claro se a nova técnica vai encontrar aplicações práticas, mas os pesquisadores acreditam que sua "abordagem algorítmica" se enquadra bem no quadro maior sobre como pensar sobre a física, uma vez que eles derivaram a equação considerando correlações entre partículas que foram produzidas por um algoritmo alimentado por um experimento gerado por outra máquina computacional.

"Há uma tendência de olhar para sistemas físicos e processos como programas executados em um computador feito dos constituintes do nosso Universo. Este trabalho apresenta um exemplo explícito e experimentalmente testável" dessa abordagem, escreveu a equipe.

Bibliografia:

Probing the quantum-classical boundary with compression software
Hou Shun Poh, Marcin Markiewicz, Pawel Kurzynski, Alessandro Cerè, Dagomir Kaszlikowski, Christian Kurtsiefer
New Journal of Physics
DOI: 10.1088/1367-2630/18/3/035011
http://arxiv.org/abs/1504.03126




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