A mecânica quântica, um campo da física que explora a natureza fundamental da matéria e da energia, revela fenômenos como objetos existentes em vários estados ou lugares, essenciais para o avanço das tecnologias modernas e das comunicações seguras. Crédito: SciTechDaily.com
O que é mecânica quântica?
Imagine um mundo onde os objetos podem parecer existir em dois lugares ao mesmo tempo ou afetar uns aos outros em todo o universo.
Embora não vejamos este tipo de coisas na nossa vida quotidiana, curiosidades semelhantes parecem existir à nossa volta no comportamento fundamental do nosso universo e nos seus mais pequenos blocos de construção. Essas características peculiares da natureza são descritas por um ramo da física chamado mecânica quântica.
Neste vídeo Ciência 101: O que é Mecânica Quântica, Katherine Harmon – Argonne Scholar na Divisão de Ciência de Materiais – explica o que é a mecânica quântica. A mecânica quântica é uma teoria que trata dos pedaços mais fundamentais de matéria, energia e luz e das maneiras como eles interagem entre si para formar o mundo. Esta teoria marcante originou-se no início do século XX e está encontrando muitas aplicações no mundo real no século XXI. Aplicando a mecânica quântica em laboratório, cientistas de Argonne como Harmon e muitos outros estão desenvolvendo tecnologias que poderão um dia transformar a sociedade e a nossa compreensão do universo. Sensores quânticos poderiam detectar células cancerígenas anteriormente indetectáveis. Uma Internet quântica poderia garantir a comunicação inviolável de mensagens e dados. Os computadores quânticos poderiam resolver problemas complexos que os computadores clássicos não conseguem. A teoria quântica também continuará a avançar o nosso conhecimento do universo a partir da intrincada dinâmica profunda dentro de um átomo a eventos cósmicos tão grandiosos quanto o nascimento do universo.
No início dos anos 1900, os cientistas começaram a desenvolver a mecânica quântica para explicar os resultados de uma série de experimentos que desafiavam qualquer outra interpretação. Hoje, os cientistas usam essa teoria para criar tecnologias poderosas – comunicação de mensagens inviolável, descoberta mais rápida de medicamentos e imagens de maior qualidade nas telas de seu telefone e TV.
Então, o que é quântico? Em um sentido mais geral, a palavra “quantum” pode se referir à menor quantidade possível de algo. O campo da mecânica quântica lida com os pedaços mais fundamentais de matéria, energia e luz e com as maneiras como eles interagem entre si para formar o mundo.
Ao contrário da forma como normalmente pensamos sobre o mundo, onde imaginamos que as coisas têm propriedades semelhantes a partículas ou ondas separadamente (bolas de beisebol e ondas do mar, por exemplo), tais noções não funcionam na mecânica quântica. Dependendo da situação, os cientistas podem observar o mesmo objeto quântico como sendo semelhante a uma partícula ou a uma onda. Por exemplo, a luz não pode ser pensada apenas como um fóton (uma partícula de luz) ou apenas uma onda de luz, porque podemos observar ambos os tipos de comportamento em experiências diferentes.
Dia a dia, vemos as coisas em um “estado” de cada vez: aqui ou ali, em movimento ou paradas, do lado certo para cima ou de cabeça para baixo. O estado de um objeto na mecânica quântica nem sempre é tão simples. Por exemplo, antes de tentarmos determinar as localizações de um conjunto de objetos quânticos, eles podem existir no que é chamado de superposição – ou um tipo especial de combinação – de uma ou mais localizações. Os diferentes estados possíveis combinam-se e interferem uns com os outros como ondas num lago, e os objetos só têm uma posição definida depois de olharmos. A superposição é uma das principais características que tornam possíveis os computadores quânticos porque nos permite representar informações de maneiras novas e úteis.
Outro comportamento quântico interessante é o tunelamento, onde um objeto quântico, como um elétron, pode às vezes passar através de barreiras que de outra forma não seria capaz de passar. Isso acontece porque a superposição permite uma pequena chance do elétron estar do outro lado da barreira. O tunelamento quântico tem aplicações como dispositivos de memória flash, microscópios poderosos e computadores quânticos.
Quando os objetos quânticos interagem, eles ficam ligados entre si por meio de uma conexão chamada emaranhamento. Esta conexão é válida mesmo se os objetos estiverem separados por grandes distâncias. Einstein chamou isso de “ação assustadora à distância”. Os cientistas estão utilizando-o para comunicação ultrassegura e é um recurso essencial em Computação quântica.
No Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), os cientistas aproveitam a experiência e as instalações de pesquisa de classe mundial para desenvolver tecnologias quânticas para armazenar, transportar e proteger informações e para investigar nosso universo, a partir da intrincada dinâmica nas profundezas de um átomo a eventos tão grandiosos quanto o nascimento do próprio universo. Argonne também lidera o Q-NEXT, um centro nacional de pesquisa em ciência da informação quântica do DOE que trabalha para desenvolver materiais e dispositivos quânticos e capturar o poder da tecnologia quântica para comunicação.
Crédito: Laboratório Nacional Argonne
O que é ciência da informação quântica?
Aproveitar o comportamento contra-intuitivo em escala atômica para criar mudanças poderosas na ciência da informação em escala prática.
Os cientistas estão correndo para desenvolver sistemas baseados em quantum que possam armazenar, transportar, manipular e proteger informações.
Qubits – bits quânticos – são os componentes fundamentais da computação quântica e de outros sistemas de informação quântica. Eles são análogos ao bit dos computadores clássicos, seja 0 ou 1. O que torna os qubits verdadeiramente estranhos é que eles podem ser simultaneamente 0 e 1. Esse estado de sobreposição dá aos computadores quânticos uma potência tremendamente maior. O próprio qubit pode assumir muitas formas diferentes – elétrons, partículas de luz e até mesmo pequenos defeitos em materiais altamente estruturados.
Os cientistas estão buscando projetar qubits que mantenham informações em seus estados quânticos por segundos (“coerência”) e possam se conectar com outros qubits (“emaranhamento”).
As tecnologias quânticas poderiam transformar a segurança nacional e financeira, a descoberta de medicamentos e a concepção e fabrico de novos materiais, ao mesmo tempo que aprofundam a nossa compreensão do universo.
