Máquina Quântica: descoberta do ano!
O último post do ano aqui no Do Nano ao Macro não poderia ser outra coisa a não ser a descoberta do ano! A revista Science, prestigiada no mundo científico, elegeu uma pequena peça, visível ao olho nu, que se move graças a conceitos da Mecânica Quântica como a descoberta do ano!
Ok, ok... só por que tem a palavra "quântica" no meio os caras saem elegendo como a descoberta do ano!? Calma, não é bem assim. Vamos do começo. A Física Quântica visa entender e explicar o mundo do muito pequeno (comportamento do átomo e aparentados, como elétrons, fótons, etc...). Cientistas da Universidade da California fizeram com que uma lâmina de 60 micrômetros (visível a olho nu) tivesse um comportamento que só é explicado pela Mecânica Quântica!
Os cientistas diminuiram a temperatura da lâmina até alcançar o seu Estado Fundamental de Energia, ou seja, até um valor de menor vibração das partículas em nível quântico*. Para verificar se a lâmina estava em seu Estado Fundamental de Energia, os pesquisadores ligaram um qubit (bit quântico)** fisicamente a lâmina. O qubit é um sistema quântico controlável de grande precisão o que permitiu verificar que os átomos que compõem a lâmina estava no nível mínimo de excitação (Estado Fundamental de Energia). Então os cientistas lançaram contra aquele sistema (lãmina + qubit) um único quantum de energia, o fônon***, provocando o menor o menor grau de excitação possível. Os cientisras ficaram acompanhando o quantum de energia sendo passado entre o qubit e a lâmina. A troca desse pequeno grau de energia fizeram com que a lâmina e o qubit se entrelaçassem quanticamente. Ou seja, qualquer alteração feita no estado quântico de um será automaticamente sentido no estado quântico do outro. Ao medirem a energia do qubit, a lâmina (que estava entrelaçada ao qubit) "escolhia" em qual estado de vibração ela permaneceria. Não entenda o "escolhia" como sendo algo que a lâmina escolhesse conscientemente. É que, ao ser observada, dentro das inúmeras possibilidades da lâmina estar, ela se apresenta de apenas um jeito, que é aquela medida pelos cientistas. Embora o que foi medido foi a energia do qubit o fato de estarem entrelaçados faz com que a lâmina fosse também observada.
Posteriormente os cientistas colocaram o sistema em um estado de superposição, no qual ele pode assumir valores zero e um ao mesmo tempo! Ou seja, nesse caso, a lâmina vibrava e não vibrava ao mesmo tempo. Embora pareça loucura isso realmente acontece. Só que, ao ser observada, a lâmina escolhe por qual estado ela quer ser vista (vibrando ou não vibrando)****.
Esse experimento é interessante pelo fato de que a Física Quântica age sobre o muito pequeno. Ver que sua teorias agem sobre coisas que podem ser vistas a olho nu abre a possibilidade de saber até qual o domínio do mundo quântico sobre o mundo macroscópico e quais vantagens poderemos ter com esse conhecimento. Poderemos responder por exemplo do que por que uma partícula conseguir estar em dois lugares ao mesmo tempo e uma pessoa não... ou poderia?
Alguns conceitos para entender melhor:
*. Para entender melhor o Estado Fundamental de Energia tome como exemplo a água: em altas temperaturas a água se encontra em estado gasoso. Isso é devido a alta energia que existe no sistema. As moléculas vibram muito. A medida que vai sendo retirada energia do sistema (diminuindo a temperatura) as moléculas da água começam a vibrar menos. Em um determinado ponto ela vira líquido já que ela não tem energia suficiente para manter-se gasosa. Se formos diminuindo ainda mais a energia a água entraria no estado sólido já que suas moléculas estão vibrando menos ainda e não possui energia para continuar líquida. Se diminuirmos muito mais a temperatura do sistema, chegaremos num ponto onde as moléculas terão o menor vibração possível. Esse ponto onde chegamos é o Estado Fundamental de Energia. Os valores que os cientistas nesse experimento chegaram foi de 25 milikelvin (a saber: 0 ºC = 273,16 K). Uma partícula nunca terá nível zero de energia já que poderíamos saber sua velocidade e posição, contrariando o Princípio da Incerteza de Heisenberg.
**. Antes de vermos sobre o qubit é preciso explicar rapidamente sobre o bit "normal". O bit é a menor unidade de dado de um computador. Nos computadores normais (como esses que todos nós usamos) o bit pode estar um de dois estados possíveis: ou ele é 0 ou ele é 1. O conjunto de zeros e uns que formam a informação propriamente dita. Já o qubit ou bit quântico ele pode ter os dois valores (zero e um) ao mesmo tempo, sem falar que ele pode ter os valores dos qubit vizinhos a ele. Esse estranho processo é chamado de entrelaçamento, onde a informação quântica de um átomo está presente no outro, e vice-versa. Com isso, dois bits "normais" podem armazenar apenas duas informações mas dois qubit podem armazenar quatro informações (vindas dele e do entrelaçamento).
***. Fônon (e não fóton) é um excitação mecânica que se propaga por um sólido. Ela se propaga como uma onda e é causada pela agitação dos átomos que compõem o sistema. Quando um elétron, por exemplo, passa pela rede de átomos, ele acaba perturbando os mesmos que se assemelha uma turbulência. Isso se deve a uma diferença mínima de energia que o elétron acaba provocando nos átomos por onde passa. Não deve ser confundido com fóton, que é, simplificando, uma partícula de luz.
****. Isso remete ao famoso experimento mental chamado de Gato de Schrödinger. Imagine que um gato foi colocado dentro de uma caixa que contém um vidro de veneno, um contador Geiger e um material radioativo. A ideia é o seguinte: aquele material radioativo pode OU não pode emitir uma partícula devido a seu decaimento natural na próxima uma hora. SE ele emitir uma partícula, o contador Geiger detectará e quebrará o vidro de veneno: o gato morre. Mas SE NÃO emitir uma partícula, o contador Geiger não detectará nada e não quebrará o vidro de veneno: o gato vive. Então, com a caixa fechada (você não vê o que está acontecendo) e depois de passado uma hora o gato pode estar VIVO E MORTO ao mesmo tempo. Até que você abra a caixa e observe você verá se gato está vivo ou se ele está morto e não um gato vivo-morto. Esse experimento ilustra que no mundo quântico, a partícula pode estar fazendo mais de uma coisa ao mesmo tempo e, apenas quando for observada, ela "decidirá" o que será visto.
Posteriormente os cientistas colocaram o sistema em um estado de superposição, no qual ele pode assumir valores zero e um ao mesmo tempo! Ou seja, nesse caso, a lâmina vibrava e não vibrava ao mesmo tempo. Embora pareça loucura isso realmente acontece. Só que, ao ser observada, a lâmina escolhe por qual estado ela quer ser vista (vibrando ou não vibrando)****.
Esse experimento é interessante pelo fato de que a Física Quântica age sobre o muito pequeno. Ver que sua teorias agem sobre coisas que podem ser vistas a olho nu abre a possibilidade de saber até qual o domínio do mundo quântico sobre o mundo macroscópico e quais vantagens poderemos ter com esse conhecimento. Poderemos responder por exemplo do que por que uma partícula conseguir estar em dois lugares ao mesmo tempo e uma pessoa não... ou poderia?
Alguns conceitos para entender melhor:
*. Para entender melhor o Estado Fundamental de Energia tome como exemplo a água: em altas temperaturas a água se encontra em estado gasoso. Isso é devido a alta energia que existe no sistema. As moléculas vibram muito. A medida que vai sendo retirada energia do sistema (diminuindo a temperatura) as moléculas da água começam a vibrar menos. Em um determinado ponto ela vira líquido já que ela não tem energia suficiente para manter-se gasosa. Se formos diminuindo ainda mais a energia a água entraria no estado sólido já que suas moléculas estão vibrando menos ainda e não possui energia para continuar líquida. Se diminuirmos muito mais a temperatura do sistema, chegaremos num ponto onde as moléculas terão o menor vibração possível. Esse ponto onde chegamos é o Estado Fundamental de Energia. Os valores que os cientistas nesse experimento chegaram foi de 25 milikelvin (a saber: 0 ºC = 273,16 K). Uma partícula nunca terá nível zero de energia já que poderíamos saber sua velocidade e posição, contrariando o Princípio da Incerteza de Heisenberg.
**. Antes de vermos sobre o qubit é preciso explicar rapidamente sobre o bit "normal". O bit é a menor unidade de dado de um computador. Nos computadores normais (como esses que todos nós usamos) o bit pode estar um de dois estados possíveis: ou ele é 0 ou ele é 1. O conjunto de zeros e uns que formam a informação propriamente dita. Já o qubit ou bit quântico ele pode ter os dois valores (zero e um) ao mesmo tempo, sem falar que ele pode ter os valores dos qubit vizinhos a ele. Esse estranho processo é chamado de entrelaçamento, onde a informação quântica de um átomo está presente no outro, e vice-versa. Com isso, dois bits "normais" podem armazenar apenas duas informações mas dois qubit podem armazenar quatro informações (vindas dele e do entrelaçamento).
***. Fônon (e não fóton) é um excitação mecânica que se propaga por um sólido. Ela se propaga como uma onda e é causada pela agitação dos átomos que compõem o sistema. Quando um elétron, por exemplo, passa pela rede de átomos, ele acaba perturbando os mesmos que se assemelha uma turbulência. Isso se deve a uma diferença mínima de energia que o elétron acaba provocando nos átomos por onde passa. Não deve ser confundido com fóton, que é, simplificando, uma partícula de luz.
****. Isso remete ao famoso experimento mental chamado de Gato de Schrödinger. Imagine que um gato foi colocado dentro de uma caixa que contém um vidro de veneno, um contador Geiger e um material radioativo. A ideia é o seguinte: aquele material radioativo pode OU não pode emitir uma partícula devido a seu decaimento natural na próxima uma hora. SE ele emitir uma partícula, o contador Geiger detectará e quebrará o vidro de veneno: o gato morre. Mas SE NÃO emitir uma partícula, o contador Geiger não detectará nada e não quebrará o vidro de veneno: o gato vive. Então, com a caixa fechada (você não vê o que está acontecendo) e depois de passado uma hora o gato pode estar VIVO E MORTO ao mesmo tempo. Até que você abra a caixa e observe você verá se gato está vivo ou se ele está morto e não um gato vivo-morto. Esse experimento ilustra que no mundo quântico, a partícula pode estar fazendo mais de uma coisa ao mesmo tempo e, apenas quando for observada, ela "decidirá" o que será visto.
Desejo aos meus amigos e visitantes do blog um Feliz 2011 completo de boas realizações!
Imagem vista em HypeScience. Com informações de:
O´CONNELL, A. D.; HOFHEINZ, M.; ANSMANN, M.; BIALCZAK, R. C.; LENANDER, M.; LUCERO, ERIK; NEELEY, M.; SANK, D.; WANG, H.; WEIDES, M.; WENNER. J.; MARTINIS, J. M.; CLELAND, N. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature. 697-703 (464). 2010.
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