Princípio da incerteza de Heisenberg, a impossibilidade fundamental de medir simultaneamente propriedades como posição e momento, está no cerne da teoria quântica. Os físicos da ETH Zurich demonstraram agora uma maneira elegante de relaxar essa incompatibilidade intrínseca usando um oscilador mecânico formado por um único íon aprisionado, abrindo um caminho para estudos fundamentais e usos práticos.

O princípio da incerteza de Heisenberg postula que há um limite fundamental para a precisão com que as chamadas variáveis ​​complementares, como posição e momento, pode ser medido. Isso é, quanto mais precisamente a velocidade e a direção (e, portanto, o momento) de uma partícula quântica forem conhecidas, menos certeza podemos ter sobre sua posição. Notavelmente, esta limitação intrínseca pode ser relaxada quando as medições extraem funções periódicas de posição e momento com um comprimento característico e escala de momento, respectivamente. Simplificando, a incerteza em qualquer variável pode ser espalhada amplamente, estruturas semelhantes a pentes em que cada dente ainda é relativamente afiado, permitindo, assim, medições precisas em uma faixa limitada.

Christa Fluehmann e colegas do grupo de Jonathan Home no Departamento de Física da ETH Zurich agora exploraram o uso de tais medidas modulares de posição e momento para estudar o comportamento dinâmico de um oscilador mecânico que consiste em um único íon aprisionado. Como relatam em um jornal que apareceu online hoje em Revisão Física X , eles usaram sequências de múltiplas medidas periódicas de posição e momentum - variando o período, eles podiam controlar se uma medição perturbava ou não o estado da seguinte. Em valores específicos do período, eles descobriram que tais medições podem prevenir distúrbios, enquanto outras escolhas produziram forte perturbação. A observação de distúrbios é uma assinatura de que o único íon exibe comportamento quântico-mecânico - para um oscilador clássico, espera-se que as medições modulares sejam sempre imperturbáveis.

A capacidade de ajustar o grau de perturbação entre as medições subsequentes abre a possibilidade de realizar testes fundamentais da mecânica quântica. A mecânica quântica pode ser distinguida da física clássica considerando as conexões causais - o quanto uma medição perturba a próxima - e também observando as correlações entre as medições. Fluehmann et al. explore o último medindo correlacionadores de tempo entre as medições sequenciais e use-os para violar a chamada desigualdade de Leggett-Garg (que também é inerentemente impossível com um sistema puramente clássico).

Nesse caso, algumas das violações não podem ser explicadas pela perturbação entre as medições subsequentes. A relação entre distúrbios e violações da desigualdade de Leggett-Garg é sutil, mas qualquer um dos métodos certifica a natureza quântica dos estados do oscilador. De fato, esses estados estão entre os estados de osciladores quânticos mais complexos produzidos até hoje. Eles generalizam o famoso experimento mental do gato de Schroedinger para oito estados mesoscópicos distintos, análogo a um gato que se encontra em estágios distintos da doença, em vez de simplesmente estar vivo ou morto.

Tendo em vista as implicações práticas, posição modular e medição de momento são componentes centrais de uma série de propostas para computação quântica e protocolos de medição de precisão que exploram funções periódicas de posição e momento para escapar do princípio da incerteza de Heisenberg. O trabalho de Fluehmann e seus colegas de trabalho fornece um ingrediente fundamental - medição - para tais aplicações, trazendo-os mais perto de alcance.