Os pesquisadores de Yale descobriram como capturar e salvar o famoso gato de Schrödinger, o símbolo da superposição quântica e imprevisibilidade, antecipando seus saltos e agindo em tempo real para salvá-lo da proverbial desgraça. No processo, eles derrubam anos do dogma fundamental da física quântica.

A descoberta permite aos pesquisadores criar um sistema de alerta precoce para saltos iminentes de átomos artificiais contendo informações quânticas. Um estudo anunciando a descoberta aparece na edição online de 3 de junho da revista. Natureza .

O gato de Schrödinger é um paradoxo conhecido usado para ilustrar o conceito de superposição - a capacidade de dois estados opostos existirem simultaneamente - e a imprevisibilidade na física quântica. A ideia é que um gato seja colocado em uma caixa lacrada com uma fonte radioativa e um veneno que será acionado se um átomo da substância radioativa se decompor. A teoria da superposição da física quântica sugere que, até que alguém abra a caixa, o gato está vivo e morto, uma superposição de estados. Abrir a caixa para observar o gato faz com que ele mude abruptamente seu estado quântico aleatoriamente, forçando-o a estar vivo ou morto.

O salto quântico é a mudança discreta (não contínua) e aleatória no estado quando é observado.

O experimento, realizado no laboratório do professor de Yale Michel Devoret e proposto pelo autor principal Zlatko Minev, examina o funcionamento real de um salto quântico pela primeira vez. Os resultados revelam uma descoberta surpreendente que contradiz a visão estabelecida do físico dinamarquês Niels Bohr - os saltos não são abruptos nem tão aleatórios como se pensava anteriormente.

Para um objeto minúsculo, como um elétron, molécula, ou um átomo artificial contendo informações quânticas (conhecido como qubit), um salto quântico é a transição repentina de um de seus estados discretos de energia para outro. No desenvolvimento de computadores quânticos, os pesquisadores devem lidar crucialmente com os saltos dos qubits, quais são as manifestações de erros nos cálculos.

Os enigmáticos saltos quânticos foram teorizados por Bohr há um século, mas não observado até a década de 1980, em átomos.

"Esses saltos ocorrem toda vez que medimos um qubit, "disse Devoret, o F.W. Beinecke Professor de Física e Física Aplicada em Yale e membro do Yale Quantum Institute. "Saltos quânticos são conhecidos por serem imprevisíveis a longo prazo."

"Apesar disso, "adicionou Minev, "Queríamos saber se seria possível obter um sinal de alerta antecipado de que um salto está prestes a ocorrer."

Minev observou que o experimento foi inspirado por uma previsão teórica do professor Howard Carmichael, da Universidade de Auckland, um pioneiro da teoria da trajetória quântica e co-autor do estudo.

Além de seu impacto fundamental, a descoberta é um grande avanço potencial na compreensão e controle das informações quânticas. Os pesquisadores dizem que o gerenciamento confiável de dados quânticos e a correção de erros à medida que ocorrem é um desafio fundamental no desenvolvimento de computadores quânticos totalmente úteis.

A equipe de Yale usou uma abordagem especial para monitorar indiretamente um átomo artificial supercondutor, com três geradores de microondas irradiando o átomo encerrado em uma cavidade 3-D feita de alumínio. O método de monitoramento duplamente indireto, desenvolvido pela Minev para circuitos supercondutores, permite que os pesquisadores observem o átomo com eficiência sem precedentes.

A radiação de micro-ondas agita o átomo artificial enquanto ele está sendo observado simultaneamente, resultando em saltos quânticos. O minúsculo sinal quântico desses saltos pode ser amplificado sem perda para a temperatura ambiente. Aqui, seu sinal pode ser monitorado em tempo real. Isso permitiu aos pesquisadores ver uma súbita ausência de fótons de detecção (fótons emitidos por um estado auxiliar do átomo excitado pelas microondas); esta pequena ausência é o aviso prévio de um salto quântico.

"O belo efeito exibido por este experimento é o aumento da coerência durante o salto, apesar de sua observação, "disse Devoret. Adicionado Minev, "Você pode aproveitar isso não apenas para dar o salto, mas também revertê-lo. "

Esse é um ponto crucial, disseram os pesquisadores. Embora os saltos quânticos pareçam discretos e aleatórios a longo prazo, reverter um salto quântico significa que a evolução do estado quântico possui, em parte, um caráter determinístico e não aleatório; o salto sempre ocorre na mesma, previsível a partir de seu ponto de partida aleatório.

"Os saltos quânticos de um átomo são um tanto análogos à erupção de um vulcão, "Minev disse." Eles são completamente imprevisíveis a longo prazo. Apesar disso, com o monitoramento correto, podemos com certeza detectar um aviso prévio de um desastre iminente e agir sobre ele antes que ocorra.