Uma bola de futebol não é uma partícula quântica. Existem diferenças cruciais entre as coisas que conhecemos da vida cotidiana e os minúsculos objetos quânticos. Os fenômenos quânticos são geralmente muito frágeis. Para estudá-los, normalmente usa-se apenas um pequeno número de partículas, bem protegido do meio ambiente, nas temperaturas mais baixas possíveis.

Por meio de uma colaboração entre a Universidade de Viena, a Academia Austríaca de Ciências e a TU Wien, Contudo, agora foi possível medir uma esfera de vidro quente consistindo de cerca de um bilhão de átomos com precisão sem precedentes e controlá-la no nível quântico. Seu movimento foi desacelerado deliberadamente até que assumiu o estado fundamental de menor energia possível. O método de medição quase atingiu o limite estabelecido pelo princípio da incerteza de Heisenberg - a física simplesmente não permite mais precisão do que isso. Isso foi possível pela aplicação de métodos especiais de engenharia de controle a sistemas quânticos. Os resultados já foram publicados na revista científica Natureza .

A precisão perfeita é impossível

A medição influencia o objeto medido - este é um dos princípios mais básicos da teoria quântica. "Werner Heisenberg criou um famoso experimento mental - o chamado microscópio de Heisenberg", explica o físico Lorenzo Magrini, o primeiro autor do estudo da Universidade de Viena. "Se você quiser medir a posição de um objeto com muita precisão sob um microscópio, você tem que usar luz com o menor comprimento de onda possível. Mas comprimento de onda curto significa maior energia, então o movimento da partícula é perturbado mais fortemente. "Você simplesmente não pode medir com precisão a localização e o estado de movimento de uma partícula ao mesmo tempo. O produto de suas incertezas é sempre limitado pela constante de Planck - esta é a chamada Princípio da incerteza de Heisenberg. No entanto, é possível saber o quão perto se pode chegar desse limite imposto pela natureza.

A equipe do Prof. Markus Aspelmeyer da Universidade de Viena está investigando isso usando uma esfera de vidro com um diâmetro inferior a 200 nanômetros, consistindo em cerca de um bilhão de partículas - muito pequenas para os nossos padrões diários, mas ainda muito grande em comparação com objetos normalmente estudados na física quântica.

A esfera de vidro pode ser mantida no lugar com um feixe de laser. Os átomos da esfera são aquecidos pelo laser, e a temperatura interna da esfera sobe para várias centenas de graus Celsius. Isso significa que os átomos da esfera de vidro estão balançando violentamente. No experimento, Contudo, não foram os movimentos oscilantes dos átomos individuais que foram estudados, mas o movimento coletivo da esfera na armadilha de laser. "São duas coisas completamente diferentes, assim como o movimento de um pêndulo em um relógio de pêndulo é algo diferente do movimento dos átomos individuais dentro do pêndulo, "diz Markus Aspelmeyer.

Tecnologia de controle quântico

O objetivo era controlar com precisão o movimento do pêndulo da esfera de vidro em um nível quântico, mesmo que a esfera de vidro seja na verdade um objeto macroscópico. Isso só pode ser alcançado usando um sistema de controle perfeitamente projetado, cuidadosamente ajustado ao experimento. A tarefa foi assumida pela equipe do Prof. Andreas Kugi na TU Wien.

"A engenharia de controle trata de influenciar os sistemas de tal forma que eles exibam um comportamento desejado independente de perturbações e flutuações de parâmetros, "diz Andreas Kugi." Este pode ser um braço de robô, por exemplo, uma linha de produção em uma fábrica, ou mesmo a temperatura de um alto-forno. "A aplicação de métodos modernos de engenharia de controle a sistemas quânticos abre novas possibilidades." também se tem que enfrentar desafios que não existem na teoria clássica do sistema e engenharia de controle, "explica Kugi." Na engenharia de controle clássica, a medição não tem ou tem influência insignificante no sistema. Na física quântica, Contudo, esta influência não pode ser evitada, por razões muito fundamentais. Portanto, também temos que desenvolver novos métodos de engenharia de controle. "

Este foi um sucesso:a luz retroespalhada pela esfera de vidro foi detectada da forma mais completa possível, usando uma técnica sofisticada de microscopia. Ao analisar a luz espalhada, a posição da esfera foi determinada em tempo real, e então um campo elétrico era continuamente ajustado de tal maneira que neutralizava permanentemente o movimento da esfera de vidro. Desta maneira, era possível desacelerar toda a esfera e colocá-la em um estado de movimento que corresponde ao estado fundamental físico-quântico, ou seja, o estado da menor energia cinética possível - apesar do fato de ser um objeto relativamente grande em altas temperaturas, cujos átomos oscilam vigorosamente.

Cooperação promissora entre física e engenharia de controle

"Você sempre deve considerar as incertezas espacial e cinética juntas. No geral, a incerteza quântica da esfera de vidro era apenas 1,7 vezes o quantum de ação de Planck, "diz Lorenzo Magrini. A constante de Planck seria o limite inferior teórico absoluto, nunca antes um experimento chegou tão perto do limite quântico absoluto usando um objeto desse tamanho. A energia cinética medida no experimento correspondeu a uma temperatura de apenas 5 micro-Kelvin, ou seja, 5 milionésimos de grau acima do zero absoluto. O movimento da esfera de vidro como um todo pode, portanto, ser atribuído a uma temperatura extremamente baixa, mesmo que os átomos que compõem a esfera sejam muito quentes.

Este sucesso mostra o grande potencial desta nova combinação de física quântica e engenharia de controle:ambos os grupos de pesquisa querem continuar trabalhando nesta direção e explorar o know-how da engenharia de controle para permitir experimentos quânticos ainda melhores e controlados com mais precisão. Existem muitas aplicações possíveis para isso, variando de sensores quânticos a tecnologias do campo da informação quântica.