Físicos da Universidade de Basel observaram o paradoxo da mecânica quântica de Einstein-Podolsky-Rosen em um sistema de várias centenas de átomos interagindo pela primeira vez. O fenômeno remonta a um famoso experimento mental de 1935. Ele permite que os resultados das medições sejam previstos com precisão e pode ser usado em novos tipos de sensores e métodos de imagem para campos eletromagnéticos. Os resultados foram publicados recentemente na revista Ciência .

Com que precisão podemos prever os resultados das medições em um sistema físico? No mundo das partículas minúsculas, que é governado pelas leis da física quântica, há um limite fundamental para a precisão de tais previsões. Este limite é expresso pelo princípio de incerteza de Heisenberg, que afirma que é impossível prever simultaneamente as medições da posição e momento de uma partícula, ou de dois componentes de um spin, com precisão arbitrária.

Uma diminuição paradoxal da incerteza

Em 1935, Contudo, Albert Einstein, Boris Podolsky, e Nathan Rosen publicou um artigo famoso no qual mostrou que previsões precisas são teoricamente possíveis sob certas circunstâncias. Para fazer isso, eles consideraram dois sistemas, A e B, no que é conhecido como um estado "emaranhado", em que suas propriedades estão fortemente correlacionadas.

Nesse caso, os resultados das medições no sistema A podem ser usados ​​para prever os resultados das medições correspondentes no sistema B com precisão arbitrária. Isso é possível mesmo se os sistemas A e B estiverem separados espacialmente. O paradoxo é que um observador pode usar medições no sistema A para fazer afirmações mais precisas sobre o sistema B do que um observador que tem acesso direto ao sistema B (mas não a A).

Primeira observação em um sistema de muitas partículas

No passado, experimentos usaram luz ou átomos individuais para estudar o paradoxo EPR, que leva suas iniciais dos cientistas que o descobriram. Agora, uma equipe de físicos liderada pelo professor Philipp Treutlein do Departamento de Física da Universidade de Basel e do Swiss Nanoscience Institute (SNI) observou com sucesso o paradoxo EPR usando um sistema de muitas partículas de várias centenas de átomos interagindo pela primeira vez.

O experimento usou lasers para resfriar átomos a apenas alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Nessas temperaturas, os átomos se comportam inteiramente de acordo com as leis da mecânica quântica e formam o que é conhecido como condensado de Bose-Einstein - um estado da matéria que Einstein previu em outro artigo pioneiro em 1925. Nesta nuvem ultracold, os átomos colidem constantemente uns com os outros, fazendo com que seus spins se tornem emaranhados.

Os pesquisadores então mediram o spin em regiões espacialmente separadas do condensado. Graças à imagem de alta resolução, eles foram capazes de medir as correlações de spin entre as regiões separadas diretamente e, ao mesmo tempo, para localizar os átomos em posições definidas com precisão. Com seu experimento, os pesquisadores conseguiram usar medições em uma determinada região para prever os resultados para outra região.

"Os resultados das medições nas duas regiões foram tão fortemente correlacionados que nos permitiram demonstrar o paradoxo EPR, "diz o estudante de doutorado Matteo Fadel, autor principal do estudo. "É fascinante observar um fenômeno tão fundamental da física quântica em sistemas cada vez maiores. Ao mesmo tempo, nossos experimentos estabelecem uma ligação entre duas das obras mais importantes de Einstein. "

No caminho para a tecnologia quântica

Além de sua pesquisa básica, os cientistas já estão especulando sobre possíveis aplicações para sua descoberta. Por exemplo, as correlações que estão no cerne do paradoxo EPR poderiam ser usadas para melhorar sensores atômicos e métodos de imagem para campos eletromagnéticos. O desenvolvimento de sensores quânticos deste tipo é um dos objetivos do Centro Nacional de Competência em Pesquisa em Ciência e Tecnologia Quântica (NCCR QSIT), no qual a equipe de pesquisadores está ativamente envolvida.