Na física, é essencial ser capaz de mostrar um pressuposto teórico na realidade, experimentos físicos. Por mais de cem anos, os físicos estão cientes da ligação entre os conceitos de desordem em um sistema, e informações obtidas por medição. Contudo, uma avaliação experimental limpa deste link em sistemas monitorados comuns, ou seja, sistemas que são medidos continuamente ao longo do tempo, estava faltando até agora.

Mas agora, usando um "tambor quântico, "uma vibração, membrana mecânica, pesquisadores do Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague, realizaram uma configuração experimental que mostra a interação física entre o distúrbio e os resultados de uma medição. Mais importante, esses resultados permitem extrair ordem do sistema amplamente desordenado, fornecer uma ferramenta geral para projetar o estado do sistema, essencial para futuras tecnologias quânticas, como computadores quânticos. O resultado agora é publicado como uma sugestão dos editores em Cartas de revisão física .

As medições sempre introduzirão um nível de perturbação em qualquer sistema que mede. No comum, mundo físico, isso geralmente não é relevante, porque é perfeitamente possível medirmos, dizer, o comprimento de uma mesa sem perceber essa perturbação. Mas na escala quântica, como os movimentos das membranas usadas no laboratório Schliesser do Instituto Niels Bohr, as consequências da perturbação feita pelas medições são enormes. Essas grandes perturbações aumentam a entropia, ou desordem, do sistema subjacente, e aparentemente impede extrair qualquer ordem da medição. Mas antes de explicar como o experimento recente percebeu isso, os conceitos de entropia e termodinâmica precisam de algumas palavras.

Quebrar um ovo é termodinâmica

A lei da termodinâmica cobre processos extremamente complicados. O exemplo clássico é que se um ovo cair da mesa, ele quebra no chão. Na colisão, calor é produzido - entre muitos outros processos físicos - e se você imaginar que poderia controlar todos esses processos complicados, não há nada nas leis físicas que diga que você não pode reverter o processo. Em outras palavras, o ovo poderia realmente se montar e voar até a superfície da mesa novamente, se pudéssemos controlar o comportamento de cada átomo, e reverter o processo. É teoricamente possível.

Você também pode pensar em um ovo como um sistema ordenado, e se quebrar, torna-se extremamente desordenado. Os físicos dizem que a entropia, a quantidade de desordem, aumentou. As leis da termodinâmica nos dizem que a desordem sempre aumentará, não o contrário:então os ovos geralmente não saltam do chão, monte e pouse em mesas do mundo real.

Leituras corretas do sistema quântico são essenciais - e notoriamente difíceis de obter

Se nos voltarmos para a mecânica quântica, o mundo parece bastante diferente, e ainda o mesmo. Se medirmos continuamente o deslocamento de um mecanismo mecânico, sistema móvel como o "tambor de membrana" (ilustração 1) com uma precisão apenas limitada pelas leis quânticas, esta medição perturba profundamente o movimento. Então, você vai acabar medindo um deslocamento que é perturbado durante o próprio processo de medição, e a leitura do deslocamento original será danificada - a menos que você também possa medir a desordem introduzida.

Nesse caso, você pode usar as informações sobre o distúrbio para reduzir a entropia produzida pela medição e gerar ordem a partir dela - comparável ao controle do distúrbio no sistema de ovos estilhaçado. Mas desta vez também temos as informações sobre o deslocamento, então aprendemos algo sobre todo o sistema ao longo do caminho, e, crucialmente, temos acesso à vibração original da membrana, ou seja, a leitura correta.

Uma estrutura generalizada para a compreensão da entropia em sistemas quânticos

"A conexão entre a termodinâmica e as medições quânticas é conhecida há mais de um século. No entanto, uma avaliação experimental deste link estava faltando até agora, no contexto de medições contínuas. Isso é exatamente o que fizemos com este experimento. É absolutamente essencial que entendamos como as medições produzem entropia e desordem em sistemas quânticos, e como o usamos para ter controle sobre as leituras que teremos no futuro, dizer, um sistema quântico como um computador quântico.

Se não formos capazes de controlar os distúrbios, basicamente não seremos capazes de entender as leituras - e as leituras do computador quântico serão ilegíveis, e inútil, claro, "diz Massimiliano Rossi, Ph.D. aluno e primeiro autor do artigo científico. "Esta estrutura é importante para criar uma base básica generalizada para a nossa compreensão dos sistemas produtores de entropia na escala quântica. É basicamente aí que este estudo se encaixa na escala maior das coisas na física."