Caos e controle no mundo quântico

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Por: Jonas | 05 Setembro 2013

A mecânica quântica pode ser anti-intuitiva e bizarra, mas é a teoria física mais exitosa. Nesse mundo estranho, busca o controle dos sistemas e também averiguar o lugar do caos, para desenvolver tecnologia. Na sequência, uma conversa com Diego Wisniacki (foto), doutor em Física, do Conselho Nacional de Pesquisas Científicas e Técnicas (CONICET), da Argentina.

 
Fonte: http://goo.gl/wTUDnE  

A entrevista é de Leonardo Moledo, publicada no jornal Página/12, 04-09-2013. A tradução é do Cepat.

Eis a entrevista.

Conte-me no que você se especializou.

Hoje em dia, minhas duas linhas de trabalho são o controle quântico e o caos quântico.

Comecemos pelo controle, que é mais tranquilo. O que é?

O que eu procuro é estabelecer receitas ou procedimentos para regular o comportamento de um sistema quântico. A ideia é ver como fazer para que esse sistema faça o que se pretende que faça e termine no estado que se está buscando.

Como são esses sistemas?

Podem ser desde um íon, um elétron, uma junção Josephson. Qualquer sistema de propriedades quânticas. Há algum tempo, nós idealizamos um método de controle que funcionava muito bem para sistemas isolados. Entretanto, o problema com os sistemas quânticos é que muitas vezes não são sistemas isolados, e o fato de não ser isolados tira deles as propriedades quânticas. Então, a pergunta principal que procuramos responder é como fazer para que esse método, que parecia tão universal e funcionava em um monte de situações, funcione numa situação mais realista. E o que encontramos é que a melhor maneira era torná-lo muito rápido, para que o entorno atuasse o menos possível.

Ao que você se refere ao mencionar que um sistema quântico faça o que se quer? Apresente um exemplo.

Interatuar, por exemplo. Agarrar um elétron e iluminá-lo com laser, ou agarrar um grupo de íons e iluminá-los com um laser para que esse sistema chegue ao estado em que se quer. Isto é fundamental em problemas de tecnologia quântica: o que se quer é que o sistema opere de determinada maneira, e isso é o que se busca com o sistema de controle quântico.

O que é um sistema de informação quântica?

É um sistema de informação que usa as propriedades da mecânica quântica.

Por exemplo?

A criptografia quântica consiste em usar a mecânica quântica para transmitir informação, e se percebeu que é muito mais segura que os métodos clássicos de criptografia. De fato, atualmente, existem aparatos que usam fótons que estão entrelaçados. Usando essa propriedade, é muito fácil detectar se um agente se meteu no meio. Contudo, o problema de todos esses sistemas, o problema fundamental, é a decoerência, ou seja, a perda muito rápida das propriedades quânticas. O que procuramos vislumbrar é como preservar esse sistema da decoerência. No momento, há ideias de usar o entorno a favor. Nós tínhamos um método que funcionava bem, mas que – percebemos – era meio lento. Encontramos, então, uma maneira de torná-lo rápido, e não apenas rápido, mas da maneira mais rápida que a mecânica quântica permite. Na mecânica quântica, caso se queira passar de um estado para outro há uma coisa que se chama “quantum speed limit”: não se pode chegar a uma velocidade mais rápida que essa. Nosso método está dentro desse limite, e avalio que em algum momento, no futuro, encontraremos uma melhor maneira. Há pessoas que propõem, por exemplo, fazer coisas no entorno para aproveitá-lo; o que nós fizemos foram coisas sobre o sistema.

E sua outra linha de trabalho?

É a principal, que tem a ver com o caos quântico. O caos é uma propriedade clara na mecânica clássica: hipersensibilidade às condições iniciais, que faz com que os sistemas sejam imprevisíveis e que o caos seja a fundamentação da termodinâmica e da mecânica estatística. Agora... o que acontece na quântica? Na quântica, a equação fundamental de Schrödinger é linear, e a não linearidade que o caos necessita não existe. Contudo, uma teoria é o limite da outra, de modo que a pergunta é: como se manifesta o caos na mecânica quântica?

Como?

Essa foi a pergunta inicial, a pergunta da qual se partiu. Encontraram-se muitas manifestações, por exemplo, na estatística dos níveis. Os níveis de energia em um sistema quântico são discretos. Então: como se distribuem esses níveis? Se o sistema é caótico, classicamente, é de uma maneira e, se não é, é de outra. Essa é uma manifestação. Uma coisa que nós fizemos, há alguns anos, foi provar o que ocorria quando se perturbava um sistema. Se o sistema é caótico, ocorre-lhe algo que é universal. A maneira de reagir de um sistema caótico, diante de perturbações, é universal. Todos os sistemas reagem da mesma maneira. O que eu acredito que hoje é a pergunta fundamental, no assunto do caos quântico, é que está se começando a pensar como atua o caos nos sistemas de muitos corpos. Até agora, os desenvolvimentos ocorreram majoritariamente para sistemas de uma partícula. A pergunta a respeito de como atua o caos na termalização, processo pelo qual as partículas alcançam o equilíbrio térmico, mediante a interação entre elas, dos sistemas quando estes são quânticos é fundamental, não apenas no nível teórico, porque hoje em dia se fazem redes óticas, onde são colocadas partículas e se faz com que elas interatuem. Hoje, são feitos experimentos com muitas partículas, que se as termaliza. Ver como o caos atua aí é uma pergunta fundamental.

E isto está chegando à prática?

Fazer experimentos de muitos corpos é uma tecnologia que hoje se faz em muitos laboratórios: fazer cadeias de íons, por exemplo, e fazê-las interatuar, iluminando um íon com um laser, por exemplo, é uma tecnologia não corrente, mas, sim, muito usada.

Explique um pouco o que é a mecânica quântica.

É a teoria mais exitosa da ciência dos últimos cem anos. Explica o comportamento do mundo microscópico e, fundamentalmente, é absolutamente anti-intuitiva e bizarra.

Por quê?

Bom, para apresentar apenas um exemplo, a ideia que se tem de que as partículas possuem sua trajetória, na mecânica quântica não ocorre. Outra coisa rara é a famosa dualidade onda-partícula, ou o entrelaçamento de partículas.

O entrelaçamento de partículas... isso não pode transmitir informação, não é?

Não. Não transmite informação, de fato.

O que é o entrelaçamento?

Têm-se duas partículas, e podem ser colocadas num estado quântico no qual estão “entrelaçadas”: as propriedades de cada uma implicam coisas sobre a outra, o que não se está acostumado no mundo clássico. No mundo clássico, se eu tenho a conjunção de uma partícula vermelha e uma verde, não deixo de ter uma partícula vermelha e uma verde, conjuntas; no mundo quântico, tenho algo novo, vermelho e verde ao mesmo tempo. E caso se meça uma, perturba a outra e vice-versa.

Tudo isto tem algo a ver com os computadores quânticos?

Estão intimamente relacionados, porque finalmente um cômputo quântico é uma operação quântica: agarra-se um sistema em um estado e o transmite em outro. O sistema evolui da maneira que se quer, observa-se o sistema e obtém o resultado. Isso finalmente é controlar o estado do sistema. Para fazer uma computação quântica é preciso poder inicializá-la, e para poder inicializá-la é necessário poder controlar o sistema.

Os computadores quânticos estão em destaque há muito tempo, não é? Contudo, a coisa não parece avançar muito.

Bom, não sei se teremos em nossas casas computadores quânticos. Atualmente, não se pode prever isto: somos cautelosos. Efetivamente, houve um crescimento muito rápido do controle das tecnologias quânticas, mas ainda não se conseguiu nenhuma tecnologia que cumpra com todos os critérios. Agora, o que está começando a aparecer são tecnologias que conectam diversas tecnologias, vale a redundância. Por exemplo, um grupo de íons onde se faz o cálculo, que se envia através de fótons, e esta informação é guardada em outra tecnologia. E me parece que isso é o que se está trabalhando hoje: na conexão de diferentes tecnologias.

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