Um estado quântico faz o gato de Schrödinger ocupar dois lugares ao mesmo tempo

O paradoxo do gato de Schrödinger ilustra um conceito da física quântica chamado sobreposição. Um estado quântico torna isso ainda mais intrigante.

Os físicos quânticos parecem ter um grande interesse em gatos. Você deve conhecer o paradoxo do gato de Schrödinger; e temos um estado quântico que torna esse paradoxo ainda mais intrigante.

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No experimento mental de Erwin Schrödinger, um gato é preso no compartimento de uma caixa; no outro compartimento, há uma pequena quantidade de substância radioativa. Se essa substância decair – isto é, se houver atividade radioativa – um veneno mata o gato. No entanto, você só saberá se o gato está vivo ou morto quando abrir a caixa. Até lá, ele estará em um estado “vivomorto”.

Isso ilustra um dos conceitos contra-intuitivos da física quântica: a sobreposição. Até ser observado, um sistema físico (como um elétron) existe parcialmente em todos os estados teoricamente possíveis ao mesmo tempo; quando é observado, ele se mostra em um único estado.


Gato, veneno, e uma fonte radioativa em uma caixa fechada. (Dhatfield/Wikimedia)

Agora, físicos da Universidade Yale descobriram como fazer um mesmo “gato” que “vive” e “morre” em duas caixas ao mesmo tempo. Tecnicamente, este não é um gato real, e sim um estado em que duas (ou mais) partículas estão interligadas em dois estados diferentes ao mesmo tempo.

Dividindo o gato de Schrödinger

Em 2005, físicos do NIST conseguiram reproduzir a ideia do experimento de Schrödinger em laboratório, com seis átomos em estados “spin up” e “spin down” simultâneos – é como se eles estivessem girando no sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo. Desde então, outros físicos fizeram algo semelhante com fótons.

Os físicos de Yale adicionaram uma complicação adicional: não só os fótons exibem mais de um comportamento ao mesmo tempo (superposição), como também estão entrelaçados – isto é, se um mudar de estado, o outro também vai, mesmo que eles estejam separados. É um dos aspectos mais estranhos da mecânica quântica – Albert Einstein a apelidou de “ação fantasmagórica à distância”.

Para tanto, os físicos criaram uma pequena câmara com duas cavidades separadas feitas de alumínio. Os fótons de micro-ondas ricocheteavam ao redor no interior das cavidades, e a equipe conseguiu conectá-los com um átomo artificial supercondutor de safira.

Assim, eles se tornaram uma única entidade (um “gato”) que assumiam mais de um estado (“vivo” e “morto”) ao mesmo tempo. O gato “não fica apenas em uma caixa, porque o estado quântico é compartilhado entre as duas cavidades e não pode ser descrito separadamente”, diz o autor principal, Chen Wang, em comunicado. O trabalho foi publicado na revista Science.

Computação quântica

Esta pesquisa tem implicações para a computação quântica. Ao contrário de um computador clássico, com bits representando 0 e 1, um computador quântico armazena informações em “qubits”. Um qubit pode estar em dois estados ao mesmo tempo, tanto 0 e 1, assim como o gato de Schrödinger está simultaneamente vivo e morto até que uma medição ou observação seja feita.

Isto cria uma situação muito delicada: a informação quântica deve ser blindada de todo o ruído externo no ambiente ao redor. A menor interferência – um único fóton esbarrando no átomo que você usou para codificar e armazenar suas informações, por exemplo – fará com que o sistema inteiro perca a coesão, de tal forma que a superposição é perdida.

Criar “cat states” – isto é, entrelaçar partículas com comportamento diferente – é interessante porque poderia ser muito útil para armazenar informação quântica. De acordo com o coautor Robert Schoelkopf, este é “o primeiro passo para operações lógicas entre dois bits quânticos”, que também permite correção de erros.

Imagem: Michael S. Helfenbein/Universidade Yale

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