A mecânica quântica é estranha. A teoria, que descreve o funcionamento de minúsculas partículas e forças, notoriamente deixou Albert Einstein tão incomodado que, em 1935, ele e seus colegas afirmaram que ela deveria ser incompleta - era muito “fantasmagórica” para ser real.
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O problema é que a física quântica parece desafiar as noções de senso comum de causalidade, localidade e realismo. Por exemplo, você sabe que a lua existe mesmo quando você não está olhando para ela - isso é realismo. A causalidade nos diz que se você apertar um interruptor de luz, a lâmpada se acenderá. E graças a um limite rígido na velocidade da luz, se você apertar um botão agora, o efeito relacionado não poderia ocorrer instantaneamente a um milhão de anos-luz de distância de acordo com a localidade. No entanto, esses princípios se dividem no reino quântico. Talvez o exemplo mais famoso seja o emaranhamento quântico, que diz que partículas em lados opostos do universo podem estar intrinsecamente ligadas, de modo que elas compartilham informações instantaneamente - uma idéia que fez Einstein zombar.
Mas em 1964, o físico John Stewart Bell provou que a física quântica era de fato uma teoria completa e viável. Seus resultados, agora chamados de Teorema de Bell, provaram efetivamente que as propriedades quânticas, como o entrelaçamento, são tão reais quanto a lua, e hoje os comportamentos bizarros dos sistemas quânticos estão sendo aproveitados para uso em uma variedade de aplicações do mundo real. Aqui estão cinco dos mais intrigantes:
Um relógio de estrôncio, revelado pelo NIST e JILA em janeiro, manterá o tempo exato pelos próximos 5 bilhões de anos. (O grupo Ye e Brad Baxley, JILA) Relógios ultra-precisos
A cronometragem confiável é mais do que apenas o alarme matinal. Os relógios sincronizam nosso mundo tecnológico, mantendo as coisas como mercados de ações e sistemas GPS alinhados. Os relógios padrão usam as oscilações regulares de objetos físicos, como pêndulos ou cristais de quartzo, para produzir seus "tiques" e "tiques". Hoje, os relógios mais precisos do mundo, os relógios atômicos, são capazes de usar os princípios da teoria quântica para medir o tempo. Eles monitoram a frequência de radiação específica necessária para fazer os elétrons saltarem entre os níveis de energia. O relógio de lógica quântica do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), no Colorado, perde ou ganha um segundo a cada 3, 7 bilhões de anos. E o relógio de estrôncio do NIST, revelado no início deste ano, será tão preciso por 5 bilhões de anos - mais do que a idade atual da Terra. Esses relógios atômicos super-sensíveis ajudam na navegação por GPS, telecomunicações e levantamentos.
A precisão dos relógios atômicos depende parcialmente do número de átomos usados. Mantido em uma câmara de vácuo, cada átomo mede independentemente o tempo e mantém um olho nas diferenças locais aleatórias entre ele e seus vizinhos. Se os cientistas empilham 100 vezes mais átomos em um relógio atômico, eles se tornam 10 vezes mais precisos - mas há um limite de quantos átomos você pode espremer. O próximo grande objetivo dos pesquisadores é usar com sucesso o entrelaçamento para aumentar a precisão. Os átomos enredados não se preocupariam com as diferenças locais e, ao invés disso, apenas mediriam a passagem do tempo, efetivamente reunindo-os como um único pêndulo. Isso significa que adicionar 100 vezes mais átomos a um relógio entrelaçado seria 100 vezes mais preciso. Os relógios entrelaçados podem até ser vinculados para formar uma rede mundial que mediria o tempo independentemente da localização.
Os observadores terão dificuldade em invadir a correspondência quântica. (VOLKER STEGER / Livraria Fotográfica / Corbis) Códigos Incrementáveis
A criptografia tradicional funciona usando chaves: um remetente usa uma chave para codificar informações e um destinatário usa outra para decodificar a mensagem. No entanto, é difícil remover o risco de um interceptador e as chaves podem ficar comprometidas. Isso pode ser corrigido usando a distribuição de chave quântica (QKD) potencialmente inquebrável. No QKD, as informações sobre a chave são enviadas por meio de fótons que foram polarizados aleatoriamente. Isso restringe o fóton de modo que vibre em apenas um plano - por exemplo, para cima e para baixo, ou da esquerda para a direita. O destinatário pode usar filtros polarizados para decifrar a chave e usar um algoritmo escolhido para criptografar com segurança uma mensagem. Os dados secretos ainda são enviados através dos canais normais de comunicação, mas ninguém pode decodificar a mensagem a menos que eles tenham a chave quântica exata. Isso é complicado, porque as regras quânticas ditam que "ler" os fótons polarizados sempre mudará seus estados, e qualquer tentativa de espionagem alertará os comunicadores para uma violação de segurança.
Hoje, empresas como a BBN Technologies, a Toshiba e a ID Quantique usam o QKD para projetar redes ultra-seguras. Em 2007, a Suíça experimentou um produto ID Quantique para fornecer um sistema de votação à prova de adulteração durante uma eleição. E a primeira transferência bancária usando o QKD entrelaçado prosseguiu na Áustria em 2004. Este sistema promete ser altamente seguro, porque se os fótons estiverem emaranhados, qualquer alteração em seus estados quânticos feita por intrusos seria imediatamente aparente para qualquer um que monitorasse o rolamento de chaves. partículas. Mas este sistema ainda não funciona em grandes distâncias. Até agora, os fótons emaranhados foram transmitidos a uma distância máxima de cerca de 88 milhas.
Close up de um chip de computador da D-Wave One. (D-Wave Systems, Inc.) Computadores Super-Poderosos
Um computador padrão codifica informações como uma cadeia de dígitos binários ou bits. Os computadores quânticos sobrecarregam o poder de processamento porque usam bits quânticos, ou qubits, que existem em uma superposição de estados - até que sejam medidos, os qubits podem ser "1" e "0" ao mesmo tempo.
Este campo ainda está em desenvolvimento, mas houve passos na direção certa. Em 2011, a D-Wave Systems revelou o D-Wave One, um processador de 128 qubits, seguido um ano depois pelo D-Wave Two de 512 qubits. A empresa diz que esses são os primeiros computadores quânticos disponíveis comercialmente no mundo. No entanto, essa alegação foi recebida com ceticismo, em parte porque ainda não está claro se os qubits da D-Wave estão entrelaçados. Estudos divulgados em maio encontraram evidências de emaranhamento, mas apenas em um pequeno subconjunto dos qubits do computador. Também há incerteza sobre se os chips exibem qualquer aceleração quântica confiável. Ainda assim, a NASA e o Google se uniram para formar o Laboratório de Inteligência Artificial Quantum, baseado em um D-Wave Two. E os cientistas da Universidade de Bristol no ano passado conectaram um dos seus tradicionais chips quânticos à Internet para que qualquer pessoa com um navegador possa aprender codificação quântica.
Mantendo um olho agudo no emaranhamento. (Ono et al., Arxiv.org) Microscópios melhorados
Em fevereiro, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Hokkaido, no Japão, desenvolveu o primeiro microscópio aprimorado por entrelaçamento do mundo, usando uma técnica conhecida como microscopia de contraste de interferência diferencial. Esse tipo de microscópio dispara dois feixes de fótons em uma substância e mede o padrão de interferência criado pelos feixes refletidos - o padrão muda dependendo se eles atingem uma superfície plana ou irregular. O uso de fótons emaranhados aumenta muito a quantidade de informações que o microscópio pode coletar, pois a medição de um fóton emaranhado fornece informações sobre o parceiro.
A equipe de Hokkaido conseguiu visualizar um "Q" gravado a apenas 17 nanômetros acima do fundo, com uma nitidez sem precedentes. Técnicas semelhantes poderiam ser usadas para melhorar a resolução de ferramentas astronômicas chamadas interferômetros, que sobrepõem diferentes ondas de luz para melhor analisar suas propriedades. Os interferômetros são usados na busca de planetas extrasolares, para sondar estrelas próximas e procurar ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.
O robin europeu pode ser um quantum natural. (Andrew Parkinson / Corbis) Bússolas Biológicas
Os humanos não são os únicos que usam a mecânica quântica. Uma das principais teorias sugere que pássaros como o robin europeu usam a ação assustadora para seguir em frente quando migram. O método envolve uma proteína sensível à luz chamada criptocromo, que pode conter elétrons entrelaçados. À medida que os fótons entram no olho, eles atingem as moléculas criptocromo e podem fornecer energia suficiente para separá-las, formando duas moléculas reativas, ou radicais, com elétrons desemparelhados, mas ainda entrelaçados. O campo magnético em torno do pássaro influencia quanto tempo duram esses radicais criptocromos. Acredita-se que as células da retina da ave sejam muito sensíveis à presença dos radicais entrelaçados, permitindo que os animais "vejam" efetivamente um mapa magnético baseado nas moléculas.
Este processo não é totalmente compreendido, porém, e há outra opção: a sensibilidade magnética das aves pode ser devido a pequenos cristais de minerais magnéticos em seus bicos. Ainda assim, se o emaranhamento realmente estiver em jogo, experimentos sugerem que o estado delicado deve durar muito mais no olho de uma ave do que nos melhores sistemas artificiais. A bússola magnética também poderia ser aplicável a certos lagartos, crustáceos, insetos e até mesmo alguns mamíferos. Por exemplo, uma forma de criptocromo usada para navegação magnética em moscas também foi encontrada no olho humano, embora não esteja claro se é ou uma vez foi útil para um propósito similar.
