surpresas do mundo quântico: de einstein e schrödinger à...
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Surpresas do mundo quântico: De Einstein e Schrödinger à informação quânticaLuiz DavidovichInstituto de FísicaUniversidade Federal do Rio de Janeiro
Laplace (1749-1827) e o determinismo clássico
“Uma inteligência que, em qualquer instante dado, conhecesse todas as forças pelas quais o mundo se move e a posição e velocidade de cada uma de suas partes componentes, …, poderia enquadrar na mesma fórmula os movimentos dos maiores objetos do Universo e aqueles dos menores átomos”.
“Nada seria incerto para ela, e o futuro, assim como o passado, estaria presente diante de seus olhos”.
Física clássica
Freqüência de oscilação (cor): f = c / λ
• Partículas: caracterizadas por posição e velocidade, ou momentum (=mv) – Mecânica de Newton
• Luz é uma onda (eletromagnetismo de Maxwell):
Ondas interferem!
Ondas em umtanque com água
Luz: Comportamento ondulatório
Experimento de Young (1800): Luz emitida por uma fonte passa por um anteparo com duas fendas, e produz em outro anteparo franjas claras e escuras .
Luz+luz=sombra!
Se taparmos uma das fendas, interferência some!
Final do século XIX
Lord Kelvin (1824-1907): “Física é um céu azul, com pequenas nuvens no horizonte”.
A revolução dos quanta
Planck, 1900, Einstein, 1905: Luz comporta-se como se fosse constituída de corpúsculos (fótons), com energia e momentum proporcionais à freqüência (cor).
Planck Einstein
E = hν p = h/λ
De Broglie: Ondas de matérian De Broglie, 1923:
Estendeu a dualidade onda-partícula para partículas subatômicas, como os elétrons.
n Deve-se associar ondas a partículas!
p = h/λ
TECNOLOGIA QUÂNTICA: FINAL DO SÉCULO XX
Armadilhas de átomos
Fótons em cavidades
R. Blatt, D. Wineland
Chapman, Haroche, Kimble, Rempe, Walther
Lasers de atomos
Ketterle, Hansch, Phillips
David Wineland
Serge Haroche
Cinquenta anos antes...
Schrödinger, 1952: “... Nunca realizamos experiências com apenas um elétron ou átomo ou uma pequena molécula. Em experiências pensadas supomos algumas vezes que isso é possível; invariavelmente, isso leva a conseqüências ridículas. {...} Pode-se dizer que não realizamos experiências com partículas únicas, mais do que poderíamos criar Ictiossauros no jardim zoológico.”(British Journal of the Philosophy of Sciences,
vol. 3, 1952)
Fantástica premonição!
Luz: Corpúsculos ou ondas?
Átomos: Corpúsculos ou ondas?
Shimizu, Universidade de Tóquio
Onda → Probabilidade
Ondas de probabilidade (Max Born - 1926)
n Onda associada à partícula descreve a probabilidade de que a partícula seja encontrada em determinada região.
n Dois caminhos possíveis: interferência!
n E o fóton, passa por um caminho ou pelo outro? Quem sabe ele se divide, e passa pelos dois ao mesmo tempo?
Detetores mostram que fóton passa por uma fenda ou outra. Mas ao identificarmos por qual fenda passou o fóton, interferência some! → Complementaridade
O princípio da incerteza de Heisenberg (1927)
Quanto mais precisamente a posição de um elétron é determinada, menos precisamente sua velocidade é conhecida nesse instante, e vice-versa
∆P∆X ≥ h
4π
Estado clássico X estado quântico
Estado clássico de uma partícula: determinado por posição e velocidade da partícula
Estado quântico: função ou tabela que permite prever as probabilidades de qualquer medida realizada sobre a partícula
Átomo de hidrogênio: elétron pode estar em qualquer posição, dentro de um volume esférico de raio aproximadamente igual a 10-8 cm.
r1
r2
r3
Medida da posição do elétron
Resultado aleatório
Estado quântico → Probabilidade de encontrar o elétron em uma certa posição
Curral de elétrons
• Átomos de Ferro sobre uma superfície de cobre prendem elétrons dentro de um “curral”
• Fotografia feita com microscópio de tunelamento (IBM)
O Gato de Schrödinger (1935)
(ÁTOMO) = (NÃO DECAÍDO) + (DECAÍDO)
(ESTADO FINAL) = (GATO MORTO) + (GATO VIVO) ?
GATO DE SCHRÖDINGER NO LABORATÓRIO
Cavidade iluminada + Cavidade escura
1935
Estados emaranhados
Estado individual de cada parte não é definido: somente estado global é definido!
Emaranhamento
Schrödinger e o emaranhamento
“ O conhecimento dos sistemas individuais pode ser nulo, enquanto o do sistema combinado permanece máximo. O melhor conhecimento possível do todo não inclui o melhor conhecimento possível de suas partes - e é isso que vem continuamente nos assombrar”.
Naturwissenschaften 23, 807 (1935)
velocidadefinal
velocidadeinicial
velocidadefinal
velocidadeinicial
Propriedades globais:Soma das velocidadesPosição relativa
Propriedades individuais:Velocidade de cada partículaPosição de cada partícula
Polarização da luz
Produção de estados emaranhadosFeixe ultravioleta incide sobre um cristal, gerando dois
feixes de freqüência mais baixa: cada fóton ultravioleta gera dois fótons – fótons gêmeos
Sob certas condições, os dois fótons têm polarizações ortogonais, mas não sabemos qual é a polarização de cada um
Medida da pola-rização do fóton 1 determina po-larização do fó-ton 2!
Alternativa clássica
Explicação baseada em variáveis escondidas?n Para cada realização experimental, variáveis
escondidas locais determinam qual é a polarização de cada fóton, no momento em que o par é produzido. A incerteza quanto ao valor a ser medido decorre do fato de que, em diferentes realizações, diferentes valores são produzidos.
n A mecânica quântica não lida com essa variável escondida, portanto é incompleta
n Será que teorias locais de variáveis escondidas podem prever resultados que seriam contraditados pela mecânica quântica?
John S. Bell (1964)
n É possível distinguir experimentalmente entre previsões da teoria quântica e de teorias de variáveis escondidas
n Resultados experimentais (Freedman e Clauser, 1972, Alain Aspect et al, 1982) confirmam mecânica quântica
n A polarização de cada fóton não é definida antes da medida!
Fantasmagóricas ações à distância
“Eu não posso acreditar seriamente … [na teoria quântica] porque a teoria não pode ser reconciliada com a idéia de que a física deve representar uma realidade no tempo e no espaço, livre de fantasmagóricas ações à distância”.
Carta de Einstein para Born, 3 de março de 1947 (The Born-Einstein Letters, Macmillan, NY, 2005)
Max Born
Emaranhamento átomo-fóton
Blinov et al, C. Nature 428, 153 (2004)
Emaranhamento de muitas partículas
Emaranhamento multifotônico
Emaranhamento de muitas partículas
EMARANHAMENTO COMO UM RECURSO
• Emaranhamento é útil para comunicação e computação quântica
LIMITES DA COMPUTAÇÃO CLÁSSICA
Lei de Moore (1965): número de transistores na CPU dobra a cada dois anos!
10-CORE XEON (2011):
2 bilhões e 600 milhões de transistores
Em torno de 2020: approx. um átomo por bit
Problema de fatoração: difícil! Melhor algoritmo de fatoração conhecido:Exponencial no comprimento do número Método criptográfico RSA de chave pública (bancos,
embaixadas, internet...)Algoritmo de Shor (computação quântica):Exponencialmente mais rápido → Quebra de códigos!
OUTRAS MOTIVAÇÕES...
Simulação de sistemas quânticos (Feynman, 1982)
Busca em banco de dados (dado um número de telefone, encontrar o usuário!): clássico proporcional a N, quântico proporcional a
SIMULADORES QUÂNTICOS
Loss, DiVincenzo, Imamoglu, Awschalom
Candidatos para computação quântica
Junções JosephsonPontos quânticosArmadilhas de íons
Ressonância magnética nuclear
Silício
Wineland, Blatt
I. Chuang, D. Cory,R. Laflamme, E. Knill
B. KaneR. Clark
Van der Wal, Nakamura
AMBIENTE
Física quântica cobre mais que 60 ordens de
A A física quântica cobre mais que
60 ordens de grandeza!
Supercordas (constituintes elementares hipotéticos do Universo)
10-35 Metros
Mapa das flutuações da radiação térmica de microondas do Universo
10+26 Metros
0,000...000035 zeros! 1
Conseqüências para nosso quotidiano
Precisão de um segundo em 10 milhões de anos!
Referênciasq A. Pais, Sutil é o Senhor...- a ciência e a vida de Albert
Einstein (Nova Fronteira, 1996)q L. Davidovich, “O Gato de Schrödinger: Do mundo
quântico ao mundo clássico”, Ciência Hoje, vol. 24, no. 143, págs. 26 – 35 (Outubro de 1998)
q L. Davidovich, “Informação quântica: Do teletransporte ao computador quântico”, Ciência Hoje, vol. 35, no. 206, págs. 24 – 29 (Julho de 2004)
q Ivan S. Oliveira et al, “Computadores quânticos”, Ciência Hoje, vol. 33, no. 133, págs. 22 – 29 (Maio de 2003)
q http://www.almaden.ibm.com/vis/index.html
Ruynet Matos Filho Alessandro Saboia
Gabriel Alves
Wellison Bastos
Osvaldo Farias
Luiz Davidovich
Paulo Souto Ribeiro
Saulo Santos
Fabricio Toscano
Bruno Escher
Nicim Zagury
Camille LombardMarcio Taddei
Gabriel Aguillar
Gabriela LemosIrénée Frerot
Rafael Gomes
Andrea Valdes
SteveWalborn
BrunoTaketaniMalena
Hor-Meyll
Informação quântica no Brasil
UFRJ
UFU
CBPF
USP-SÃO CARLOS
UNICAMP
USP-SP
UFSCar
UFPE
UFAL
UFF
UFABC
UFC
PUC-RIO
UFMG
UEPG
CEFET-MG