Professor de física no Instituto Niels Bohr em Copenhagen, um dos pioneiros do teletransporte quântico, Eugene Polzik, explicou à RIA Novosti onde a fronteira é entre os mundos "real" e "quântico", por que uma pessoa não pode ser teletransportada e como ele conseguiu criar matéria com "massa negativa".
Cinco anos atrás, sua equipe implementou um experimento para teletransportar não um átomo ou partícula de luz, mas um objeto macroscópico.
Recentemente, ele presidiu o conselho consultivo internacional do Russian Quantum Center (RQC), substituindo Mikhail Lukin, o criador de um dos maiores computadores quânticos do mundo e líder mundial em computação quântica. De acordo com o Professor Polzik, ele se concentrará no desenvolvimento e realização do potencial intelectual de jovens cientistas russos e no fortalecimento da participação internacional no trabalho do RCC.
“Eugene, a humanidade algum dia será capaz de teletransportar mais do que uma única partícula ou uma coleção de átomos ou outros objetos macroscópicos?
- Você não tem ideia de quantas vezes me fazem essa pergunta - obrigado por não me perguntar se é possível teletransportar uma pessoa. Em termos muito gerais, a situação é a seguinte.
O universo é um objeto gigantesco, emaranhado no nível quântico. O problema é que não somos capazes de "ver" todos os graus de liberdade desse objeto. Se pegarmos um objeto grande em tal sistema e tentar considerá-lo, então as interações desse objeto com outras partes do mundo darão origem ao que é chamado de "estado misto" no qual não há emaranhamento.
O chamado princípio da monogamia opera no mundo quântico. É expresso no fato de que se temos dois objetos idealmente emaranhados, então ambos não podem ter as mesmas "conexões invisíveis" fortes com quaisquer outros objetos do mundo circundante, como um com o outro.
Eugene Polzik, professor do Niels Bohr Institute em Copenhagen e chefe do conselho consultivo internacional do RCC. Foto: RCC.
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Voltando à questão do teletransporte quântico, isso significa que, a princípio, nada nos impede de confundir e teletransportar um objeto do tamanho de pelo menos o Universo inteiro, mas na prática, isso nos impedirá de ver todas essas conexões ao mesmo tempo. Portanto, temos que isolar os macroobjetos do resto do mundo quando conduzimos tais experimentos, e permitir que eles interajam apenas com os objetos "necessários".
Por exemplo, em nossos experimentos foi possível fazer isso para uma nuvem contendo um trilhão de átomos, devido ao fato de que eles estavam no vácuo e presos em uma armadilha especial que os isolava do mundo exterior. Essas câmeras, aliás, foram desenvolvidas na Rússia - no laboratório de Mikhail Balabas na Universidade Estadual de São Petersburgo.
Mais tarde, passamos a experimentos com objetos maiores que podem ser vistos a olho nu. E agora estamos conduzindo um experimento sobre o teletransporte de vibrações que surgem em membranas finas feitas de materiais dielétricos medindo milímetro a milímetro.
Agora, por outro lado, estou pessoalmente mais interessado em outras áreas da física quântica, nas quais, parece-me, avanços reais ocorrerão em um futuro próximo. Eles vão certamente surpreender a todos.
Onde exatamente?
- Todos nós sabemos bem que a mecânica quântica não nos permite saber tudo o que acontece no mundo que nos rodeia. Devido ao princípio da incerteza de Heisenberg, não podemos medir simultaneamente todas as propriedades dos objetos com a maior precisão possível. E, neste caso, o teletransporte se transforma em uma ferramenta que nos permite contornar essa limitação, transferindo não informações parciais sobre o estado do objeto, mas todo o próprio objeto.
As mesmas leis do mundo quântico nos impedem de medir com precisão a trajetória do movimento de átomos, elétrons e outras partículas, uma vez que é possível descobrir a velocidade exata de seu movimento ou sua posição. Na prática, isso significa que a precisão de todos os tipos de sensores de pressão, movimento e aceleração é estritamente limitada pela mecânica quântica.
Recentemente, percebemos que nem sempre é assim: tudo depende do que entendemos por "velocidade" e "posição". Por exemplo, se durante tais medições não usarmos sistemas de coordenadas clássicos, mas seus equivalentes quânticos, então esses problemas desaparecerão.
Em outras palavras, no sistema clássico, estamos tentando determinar a posição de uma partícula particular em relação a, grosso modo, uma mesa, cadeira ou algum outro ponto de referência. Em um sistema de coordenadas quânticas, o zero será outro objeto quântico com o qual o sistema de interesse para nós interage.
Descobriu-se que a mecânica quântica torna possível medir ambos os parâmetros - a velocidade do movimento e a trajetória - com uma precisão infinitamente alta para uma certa combinação de propriedades do ponto de referência. Que combinação é essa? Uma nuvem de átomos servindo como o zero do sistema de coordenadas quântico deve ter uma massa negativa efetiva.
Na verdade, é claro que esses átomos não têm "problemas de peso", mas se comportam como se tivessem massa negativa, pelo fato de estarem localizados de forma especial entre si e dentro de um campo magnético especial. No nosso caso, isso leva ao fato de que a aceleração da partícula diminui, mas não aumenta sua energia, o que é um absurdo do ponto de vista da física nuclear clássica.
Isso nos ajuda a nos livrar das mudanças aleatórias na posição das partículas ou na velocidade de movimento que ocorrem quando medimos suas propriedades usando lasers ou outras fontes de fótons. Se colocarmos uma nuvem de átomos com "massa negativa" no caminho deste raio, ela irá primeiro interagir com eles, então irá voar através do objeto em estudo, essas perturbações aleatórias eliminarão umas às outras e seremos capazes de medir todos os parâmetros com precisão infinitamente alta.
Tudo isso está longe da teoria - há alguns meses já testamos essas ideias experimentalmente e publicamos o resultado na revista Nature.
Há algum uso prático para isso?
- Há um ano, eu já disse, falando em Moscou, que um princípio semelhante de "remoção" da incerteza quântica pode ser usado para melhorar a precisão do trabalho do LIGO e de outros observatórios gravitacionais.
Antes era apenas uma ideia, mas agora começou a tomar forma. Estamos trabalhando em sua implementação junto com um dos pioneiros em medições quânticas e um participante do projeto LIGO, o Professor Farid Khalili da RCC e da Universidade Estadual de Moscou.
Claro, não estamos falando sobre a instalação de tal sistema no próprio detector - este é um processo muito complicado e demorado, e o próprio LIGO tem planos em que simplesmente não podemos entrar. Por outro lado, eles já estão interessados em nossas ideias e prontos para nos ouvir mais.
Em qualquer caso, você primeiro precisa criar um protótipo funcional de tal instalação, que mostrará que podemos realmente ultrapassar a fronteira da precisão da medição imposta pelo princípio da incerteza de Heisenberg e outras leis do mundo quântico.
Faremos os primeiros experimentos desse tipo em um interferômetro de dez metros em Hanover, uma cópia menor do LIGO. Agora estamos montando todos os componentes necessários para este sistema, incluindo um suporte, fontes de luz e uma nuvem de átomos. Se tivermos sucesso, tenho certeza de que nossos colegas americanos nos ouvirão - ainda não há outra maneira de contornar o limite quântico.
Os defensores das teorias quânticas determinísticas, que acreditam que não existem chances no mundo quântico, considerarão tais experimentos como prova da correção de suas idéias?
- Pra ser sincero, não sei o que pensam disso. No próximo ano, estaremos organizando uma conferência em Copenhagen sobre as fronteiras entre a física clássica e quântica e questões filosóficas semelhantes, e eles podem comparecer se quiserem apresentar sua visão desse problema.
Eu mesmo adiro à interpretação clássica de Copenhagen da mecânica quântica e admito que as funções de onda não são limitadas em tamanho. Até agora, não vemos quaisquer sinais de que suas disposições estejam sendo violadas em algum lugar ou em desacordo com a prática.
Laboratório de Óptica Quântica no Centro Quantum Russo. Foto: RCC.
Nos últimos anos, os físicos realizaram inúmeros testes das desigualdades de Bell e do paradoxo de Einstein-Podolski-Rosen, que excluem completamente a possibilidade de que variáveis ocultas ou outras coisas fora do escopo da teoria quântica clássica possam governar o comportamento de objetos no nível quântico.
Por exemplo, alguns meses atrás, houve outro experimento que fechou todos os "buracos" possíveis nas equações de Bell usadas pelos proponentes da teoria das variáveis ocultas. Tudo o que nos resta é, parafraseando Niels Bohr e Richard Feynman, "calar a boca e experimentar": parece-me que devemos apenas nos fazer aquelas perguntas que podem ser respondidas por meio de experimentos.
Se voltarmos ao teletransporte quântico - dados os problemas que você descreveu: ele terá aplicação em computadores quânticos, satélites de comunicação e outros sistemas?
- Tenho certeza de que as tecnologias quânticas vão penetrar cada vez mais nos sistemas de comunicação e rapidamente entrarão no nosso dia a dia. Como exatamente ainda não está claro - as informações, por exemplo, podem ser transmitidas tanto por teletransporte quanto por linhas de fibra óptica comuns usando sistemas de distribuição de chaves quânticas.
A memória quântica, por sua vez, acredito, também se tornará uma realidade depois de um tempo. No mínimo, será necessário criar repetidores para sinais e sistemas quânticos. Por outro lado, é difícil prever como e quando tudo isso será implementado.
Mais cedo ou mais tarde, o teletransporte quântico não se tornará exótico, mas uma coisa cotidiana que todos podem usar. É claro que é improvável que vejamos esse processo, mas os resultados de seu trabalho, incluindo redes seguras de transmissão de dados e sistemas de comunicação por satélite, terão um papel importante em nossas vidas.
Até onde as tecnologias quânticas irão penetrar em outras esferas da ciência e da vida que não se relacionam com TI ou física?
- Essa é uma boa pergunta, que é ainda mais difícil de responder. Quando os primeiros transistores apareceram, muitos cientistas acreditaram que eles seriam usados apenas em aparelhos auditivos. Foi o que aconteceu, embora agora apenas uma proporção muito pequena de dispositivos semicondutores seja usada dessa forma.
No entanto, parece-me que um avanço quântico realmente ocorrerá, mas não em todos os lugares. Por exemplo, quaisquer gadgets e dispositivos que interagem com o ambiente e de alguma forma medem suas propriedades irão inevitavelmente atingir o limite quântico, que já discutimos. E nossas tecnologias irão ajudá-los a contornar esse limite, ou pelo menos minimizar a interferência.
Além disso, já resolvemos um desses problemas usando a mesma abordagem de “massa negativa”, aprimorando os sensores de campo magnético quântico. Esses dispositivos podem encontrar aplicações biomédicas muito específicas - eles podem ser usados para monitorar o trabalho do coração e do cérebro, avaliando as chances de um ataque cardíaco e outros problemas.
Meus colegas do RCC estão fazendo algo semelhante. Agora estamos discutindo juntos o que alcançamos, tentando combinar nossas abordagens e conseguir algo mais interessante.
