Uma equipe de cientistas descobriu que uma lei que controla o comportamento bizarro dos buracos negros no espaço também é válida para átomos de hélio frios que podem ser estudados em laboratórios.

"É chamada de lei de área de emaranhamento, "diz Adrian Del Maestro, um físico da Universidade de Vermont que co-liderou a pesquisa. Que esta lei aparece tanto na vasta escala do espaço sideral quanto na escala minúscula dos átomos, "é estranho, "Del Maestro diz, "e aponta para uma compreensão mais profunda da realidade."

O novo estudo foi publicado em 13 de março na revista. Física da Natureza - e pode ser um passo em direção a uma tão procurada teoria quântica da gravidade e novos avanços na computação quântica.

Na superfície

Na década de 1970, os famosos físicos Stephen Hawking e Jacob Bekenstein descobriram algo estranho sobre os buracos negros. Eles calcularam que quando a matéria cai em um desses buracos sem fundo no espaço, a quantidade de informação que engole - o que os cientistas chamam de entropia - aumenta apenas na mesma velocidade que sua área de superfície aumenta, não seu volume. Isso seria como medir quantos arquivos existem em um arquivo com base na área de superfície da gaveta, e não na profundidade da gaveta. Tal como acontece com muitos aspectos da física moderna, verifique seu bom senso na porta.

"Descobrimos que o mesmo tipo de lei é obedecido para informações quânticas no hélio superfluido, "diz Del Maestro. Para fazer sua descoberta, Del Maestro da UVM e três colegas da Universidade de Waterloo, no Canadá, criaram pela primeira vez uma simulação exata da física do hélio extremamente frio depois que ele se transforma de um gás em uma forma de matéria chamada superfluido:abaixo de cerca de dois graus Kelvin, átomos de hélio - exibindo a natureza de onda / partícula dual que Max Planck e outros descobriram - se aglomeram de tal forma que os átomos individuais não podem ser descritos independentemente uns dos outros. Em vez de, eles formam uma dança cooperativa que os cientistas chamam de emaranhado quântico.

Usando dois supercomputadores, incluindo o Vermont Advanced Computing Core na UVM, os cientistas exploraram as interações de sessenta e quatro átomos de hélio em um superfluido. Eles descobriram que a quantidade de informação quântica emaranhada compartilhada entre duas regiões de um contêiner - uma esfera de hélio separada do contêiner maior - era determinada pela área de superfície da esfera e não por seu volume. Como uma holografia, parece que um volume tridimensional do espaço está inteiramente codificado em sua superfície bidimensional. Como um buraco negro.

Essa ideia foi adivinhada a partir de um princípio da física chamado "localidade", mas nunca havia sido observada antes em um experimento. Usando uma simulação numérica completa de todos os atributos do hélio, os cientistas eram, pela primeira vez, capaz de demonstrar a existência da lei da área de emaranhamento em um líquido quântico real.

"O hélio superfluido pode se tornar um recurso importante - o combustível - para uma nova geração de computadores quânticos, "diz Del Maestro, cujo trabalho é apoiado pela National Science Foundation. Mas para fazer uso de seu enorme potencial de processamento de informações, ele diz, "temos que entender mais profundamente como funciona."

Bairros assustadores

Na década de 1920, Albert Einstein é famosa - e ceticamente - referindo-se ao enredamento como "ação fantasmagórica à distância". Desde aquele tempo, o emaranhamento foi demonstrado como real por numerosos experimentos laboratoriais e teóricos. Em vez de desafiar o limite de velocidade máxima do universo - a velocidade da luz - o que cada vez mais parece mostrar que o emaranhamento é que nosso entendimento humano de distância em macro escala, e o próprio tempo, pode ser ilusório. Um par de partículas emaranhadas pode ter uma comunicação quântica, parecendo "saber" o estado uns dos outros instantaneamente através de milhas. Mas essa intuição mistura nossa visão clássica da realidade com uma realidade quântica mais profunda na qual uma forma de informação - entropia de emaranhamento - é "deslocalizada, "espalhados em um sistema, com milhões de estados possíveis, ou "superposições, "que só se fixa pela ação de medir. (Considere o gato de Schrödinger - vivo e morto.)

"Emaranhamento é uma informação não clássica compartilhada entre partes de um estado quântico, "observa Del Maestro. É" o traço característico da mecânica quântica que é mais estranho à nossa realidade clássica. "

Ser capaz de entender, muito menos controlar, o emaranhamento quântico em sistemas complexos com muitas partículas tem se mostrado difícil. A observação de uma lei de área de emaranhamento neste novo experimento aponta para líquidos quânticos, como o hélio superfluido, como um meio possível para começar a dominar o emaranhamento. Por exemplo, o novo estudo revela que a densidade do hélio superfluido regula a quantidade de emaranhamento. Isso sugere que experimentos de laboratório e, eventualmente, computadores quânticos poderiam manipular a densidade de um líquido quântico como um "botão possível, "Del Maestro diz, para regular o emaranhamento.

Gravidade de caça

E essa nova pesquisa tem implicações para alguns problemas fundamentais da física. Até aqui, o estudo da gravidade tem desafiado amplamente os esforços para trazê-lo sob o guarda-chuva da mecânica quântica, mas os teóricos continuam procurando conexões. "Nossa teoria clássica da gravidade depende do conhecimento exato da forma ou geometria do espaço-tempo, "Del Maestro diz, mas a mecânica quântica requer incerteza sobre esta forma. Um pedaço da ponte entre eles pode ser formada pela contribuição deste novo estudo para o "princípio holográfico":a exótica contenção de que todo o universo 3-D pode ser entendido como informação bidimensional - seja um buraco negro gigantesco ou uma poça microscópica de superfluido hélio.