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Algumas coisas estão relacionadas, outras não. Suponha que você selecione aleatoriamente uma pessoa de uma multidão que é significativamente mais alta que a média. Nesse caso, há uma boa chance de que eles também pesem mais do que a média. Estatisticamente, uma quantidade também contém alguma informação sobre a outra.
A física quântica permite ligações ainda mais fortes entre diferentes quantidades: diferentes partículas ou partes de um extenso sistema quântico podem “compartilhar” uma certa quantidade de informação. Existem curiosas previsões teóricas sobre isso: surpreendentemente, a medida dessa “informação mútua” não depende do tamanho do sistema, mas apenas de sua superfície. Este resultado surpreendente foi confirmado experimentalmente na TU Wien e publicado em física da natureza. Contribuições teóricas para o experimento e sua interpretação vieram do Max-Planck-Institut für Quantenoptik em Garching, FU Berlin, ETH Zürich e New York University.
Informação quântica: Mais fortemente conectada do que a física clássica permite
“Vamos imaginar um recipiente de gás no qual pequenas partículas voam e se comportam de maneira muito clássica, como pequenas esferas”, diz Mohammadamin Tajik, do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena (VCQ) – Atominstitut da TU Wien, primeiro autor do publicação atual. “Se o sistema está em equilíbrio, então as partículas em diferentes áreas do recipiente nada sabem umas sobre as outras. Pode-se considerá-las completamente independentes umas das outras. Portanto, pode-se dizer que a informação mútua que essas duas partículas compartilham é zero.”
No mundo quântico, no entanto, as coisas são diferentes: se as partículas se comportam quânticamente, pode acontecer que você não possa mais considerá-las independentemente umas das outras. Elas estão matematicamente conectadas — você não pode descrever significativamente uma partícula sem dizer algo sobre a outra.
“Para tais casos, há muito tempo há uma previsão sobre a informação mútua compartilhada entre diferentes subsistemas de um sistema quântico de muitos corpos”, explica Mohammadamin Tajik. “Em tal gás quântico, a informação mútua compartilhada é maior que zero e não depende do tamanho dos subsistemas – mas apenas da superfície delimitadora externa do subsistema”.
Essa previsão parece intuitivamente estranha: no mundo clássico, é diferente. Por exemplo, as informações contidas em um livro dependem de seu volume – não apenas da área da capa do livro. No mundo quântico, no entanto, a informação geralmente está intimamente ligada à área de superfície.
Medições com átomos ultrafrios
Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Prof. Jörg Schmiedmayer confirmou agora pela primeira vez que a informação mútua em um sistema quântico de muitos corpos escala com a área de superfície e não com o volume. Para isso, eles estudaram uma nuvem de átomos ultrafrios. As partículas foram resfriadas até um pouco acima da temperatura do zero absoluto e mantidas no lugar por um chip atômico. Em temperaturas extremamente baixas, as propriedades quânticas das partículas tornam-se cada vez mais importantes. A informação se espalha cada vez mais no sistema, e a conexão entre as partes individuais do sistema geral torna-se cada vez mais significativa. Neste caso, o sistema pode ser descrito com uma teoria quântica de campos.
“O experimento é muito desafiador”, diz Jörg Schmiedmayer. “Precisamos de informações completas sobre nosso sistema quântico, da melhor forma que a física quântica permite. Para isso, desenvolvemos uma técnica especial de tomografia. Obtemos as informações de que precisamos perturbando um pouco os átomos e depois observando a dinâmica resultante. É como jogando uma pedra em uma lagoa e então obtendo informações sobre o estado do líquido e da lagoa das ondas resultantes.”
Enquanto a temperatura do sistema não atingir o zero absoluto (o que é impossível), essa “informação compartilhada” tem alcance limitado. Na física quântica, isso está relacionado ao “comprimento de coerência” – indica a distância à qual as partículas se comportam de maneira quântica e, portanto, se conhecem. “Isso também explica por que informações compartilhadas não importam em um gás clássico”, diz Mohammadamin Tajik. “Em um sistema clássico de muitos corpos, a coerência desaparece; você pode dizer que as partículas não sabem mais nada sobre suas partículas vizinhas.” O efeito da temperatura e do comprimento de coerência na informação mútua também foi confirmado no experimento.
A informação quântica desempenha um papel essencial em muitas aplicações técnicas da física quântica hoje. Assim, os resultados do experimento são relevantes para várias áreas de pesquisa – da física do estado sólido ao estudo físico quântico da gravidade.
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