Nanotecnologia

Medição fraca balança interpretações da mecânica quântica

Medição fraca derruba interpretações da mecânica quântica
Experimento derruba duas proposições reconhecidas como "verdades" da mecânica quântica há mais de um século, mostrando que ela é ainda mais estranha e menos intuitiva do que parecia.[Imagem: Preston Huey/Science]

Verdades elusivas

1. Uma partícula quântica pode se comportar como uma partícula ou como uma onda, mas não as duas coisas ao mesmo tempo.

2. Não é possível medir uma partícula quântica sem interferir com ela.

Estas duas proposições são reconhecidas como "verdades" da mecânica quântica há mais de um século.

Agora, em um único experimento, uma equipe de físicos derrubou as duas, mostrando que a mecânica quântica é ainda mais estranha e menos intuitiva do que parecia.

Experimento da dupla fenda

Aephraim Steinberg, da Universidade de Toronto, no Canadá, coordenou uma equipe internacional de experimentalistas que demonstrou que a tecnologia atual já é capaz de fazer medições sem afetar as partículas quânticas, e que estas partículas podem se comportar como ondas e partículas ao mesmo tempo, em uma espécie de interferência consigo próprias.

Uma das demonstrações mais famosas da mecânica quântica é o chamado experimento da dupla fenda, que ensejou as discussões entre Niels Bohr e Albert Einstein, em 1927.

Quando um canhão dispara partículas quânticas - elétrons, por exemplo - rumo a uma fenda, elas batem do outro lado de forma discreta, como se fossem bolinhas.

Mas quando a chapa tem duas fendas, o que se vê do outro lado é um padrão de interferência, chamado "franja", parecido com um código de barras borrado.

As seções claras e escuras do padrão de interferência correspondem aos picos e vales das ondas interferindo mutuamente, mostrando que as "partículas" passam simultaneamente pelas duas fendas, ou seja, comportam-se como ondas.

Contudo, quando se tenta colocar um detector em cada fenda, para ver em qual delas a partícula está passando, o padrão de interferência é destruído.

Princípio da Incerteza de Heisenberg

Isso disse aos físicos que não se pode observar a partícula passando por uma das duas fendas sem destruir o efeito de interferência: você teria que escolher entre a partícula e a onda e, no próprio ato da medição, a onda colapsaria, em uma espécie de interferência inexorável do observador sobre a partícula.

Isso deu origem ao famoso Princípio da Incerteza de Heisenberg, que estabelece que não é possível, ao mesmo tempo, medir a posição (qual fenda serviu de caminho) e o momento (expresso no padrão de interferência) de uma partícula quântica.

Mas o novo experimento mostrou que não é bem este o caso.

"Nos últimos 10 ou 15 anos, a tecnologia alcançou um ponto que permite a realização de experimentos detalhados em sistemas quânticos individuais [sem interferir com eles], com aplicações potenciais como a criptografia e a computação quânticas," afirma Steinberg.

Medição fraca derruba interpretações da mecânica quântica
Os pesquisadores construíram um mapa de probabilidades que resulta em uma espécie de rota característica dos fótons. [Imagem: Kocsis et al./Science]

Medição fraca

Os pesquisadores reconstruíram o experimento da dupla fenda substituindo o canhão de elétrons por uma "lanterna" capaz de disparar um fóton de cada vez.

"Nós então usamos um cristal de quartzo chamado calcita, que tem um efeito sobre a luz que depende da direção na qual a luz está se propagando, para medir a direção como uma função da posição," explica o pesquisador.

Com isto, eles mediram tanto a posição quanto o momento do fóton - na verdade, uma média dessas medições, uma vez que continua sendo impossível determinar as informações para um fóton em particular.

O resultado é uma demonstração realística, mas nada convencional, de que o fóton - que os cientistas chamam de sistema quântico - comporta-se simultaneamente como partícula e como onda, continuando a gerar o padrão de interferência típico das ondas mesmo quando passa por uma única fenda.

Isto foi possível de se medir porque o experimento é capaz de recompor - por uma técnica que os físicos chamam de medição fraca - a trajetória média dos fótons, sem interferir com eles.

"Mais importante, nós ficamos maravilhados ao conseguirmos ver, em certo sentido, o que um fóton faz quando passa através de um interferômetro, algo que nossos livros-texto e nossos professores sempre nos disseram ser impossível," diz Steinberg.

Interpretações da mecânica quântica

De fato, o experimento terá grande impacto, por assim dizer, filosófico, uma vez que fala diretamente sobre as diversas interpretações da mecânica quântica, incluindo as de Niels Bohr e da chamada interpretação de Copenhague, e das interpretações menos convencionais de David Bohm e Louis de Broglie.

A chamada teoria da onda piloto, por exemplo, propõe que cada partícula tem uma trajetória bem definida, que a leva diretamente a uma das fendas, enquanto sua onda associada passa pelas duas fendas simultaneamente. O experimento parece dar sustentação a essa interpretação.

O experimento também balança - embora não derrube - o Princípio da Incerteza da Heisenberg, mostrando que ele não é tão rígido quanto parecia, seguindo uma tendência que já vem sendo demonstrada em outros trabalhos.

Aplicações práticas

Os pesquisadores acreditam que seu trabalho poderá ter efeitos práticos na computação quântica.

Por exemplo, as portas lógicas desses computadores futurísticos poderão ser capazes de repetir uma operação quando a checagem de erro não se mostrar convincente.

"Sob a interpretação normal da mecânica quântica, nós não podemos colocar a questão do que teria acontecido previamente no tempo. Mas a a medição fraca nos permite fazer isso," conclui Steinberg.

Bibliografia:

Observing the Average Trajectories of Single Photons in a Two-Slit Interferometer
Sacha Kocsis, Boris Braverman, Sylvain Ravets, Martin J. Stevens, Richard P. Mirin, L. Krister Shalm, Aephraim M. Steinberg
Science
3 June 2011
Vol.: 332 no. 6034 pp. 1170-1173
DOI: 10.1126/science.1202218




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