Pesquisadores da Universidade de Ottawa (uOttawa), em colaboração com o Instituto Weizmann de Ciência e a Universidade Lancaster, observaram uma transição quântica oculta que só pode ser vista dependendo de como os observadores realizam as medições.



O estudo "Transições Topológicas da fase Pancharatnam-Berry generalizada" foi publicado na Science Advances em 24 de novembro de 2023.

Uma parte essencial do método científico depende da capacidade de medir com precisão o resultado de um experimento e de justapor essas descobertas com resultados anteriores. Os cientistas desenvolvem dispositivos de medição, ou medidores, que lhes permitem quantificar com precisão a magnitude das propriedades físicas. Contudo, o “processo de medição” levanta uma questão crítica e intrigante:o processo de medição de um parâmetro altera o sistema que está sendo medido?

Na física, muitas vezes acredita-se que a influência no sistema é insignificante. No entanto, a mesma suposição não pode ser feita no contexto da mecânica quântica, uma vez que o ato de medição pode impactar significativamente o sistema sob observação.

A equipe de pesquisa, liderada por Yuval Gefen, professor da Faculdade de Física do Instituto Weizmann de Ciência e Ebrahim Karimi, professor de física e Cátedra de Pesquisa do Canadá em Ondas Quânticas Estruturadas na Faculdade de Ciências da Universidade de Ottawa, desenvolveu um sofisticado protocolo para observar esta transição topológica orientada por medição.

Este protocolo envolveu uma sequência cíclica de medições com intensidades variadas – de forte a fraca – no estado de polarização dos fótons emitidos por uma fonte de laser. Suas descobertas revelam que embora a transição topológica permaneça intacta apesar da presença de imperfeições tanto no sistema quanto no processo, ela também é sensível a essas imperfeições.

“Esta sensibilidade manifesta-se em alterações significativas na localização e forma da transição, sublinhando o delicado equilíbrio entre a integridade do sistema e as influências externas em explorações científicas tão avançadas”, disse Manuel F. Ferrer-Garcia, Ph.D. candidato, que conduziu o experimento de laboratório no Nexus for Quantum Technologies Institute em uOttawa.

Na mecânica quântica, é amplamente aceito que todo o estado de um sistema quântico está encapsulado em sua função de onda. Para aprender sobre o estado, o sistema interage com um dispositivo de medição, ou seja, medidores, que são fundamentais para quantificar a magnitude de uma propriedade física. Convencionalmente, os cientistas quânticos empregam uma técnica conhecida como medições projetivas em seu laboratório.

Estas medições são consideradas “fortes” pois provocam o “colapso” da função de onda, onde esta é reduzida a um estado específico alinhado com um dos estados do dispositivo de medição. Este processo não apenas produz informações, mas também altera o estado quântico inicial do sistema. No entanto, é viável elaborar um protocolo de medição que influencie minimamente o sistema, levando a leituras um tanto indeterminadas em nosso medidor.

Através de interações repetidas, torna-se possível coletar informações sobre o sistema, um processo denominado medições “fracas”. A partir deste entendimento, podemos deduzir o potencial para a concepção de protocolos de medição cujo impacto varia entre estes dois extremos – forte e fraco. Este conceito abre novos caminhos para a exploração de sistemas quânticos e suas interações com dispositivos de medição, marcando um avanço significativo nas técnicas de medição quântica.

Um aspecto significativo, embora menos aparente, dos fenômenos quânticos é a sua profunda conexão com conceitos topológicos. A topologia, em essência, é um ramo da matemática que se concentra no estudo de propriedades que são invariantes ou mudam de forma descontínua sob deformações contínuas. Um exemplo desses invariantes é o número de furos em superfícies fechadas - por exemplo, uma esfera pode ser continuamente transformada em formato de rosca, mas o número de furos mudará abruptamente de zero para um quando dois pontos de superfície diferentes entrarem em contato um com o outro. .

Os invariantes topológicos desempenham um papel importante em muitas áreas da física moderna. Neste trabalho, os pesquisadores observaram uma transição topológica quando a intensidade da medição muda de forte para fraca. Esta transição envolveu o comportamento de outro conceito matemático:a fase geométrica ou Pancharatnam-Berry.

Quando um estado quântico sofre uma evolução cíclica, ou seja, volta ao estado inicial após um período de tempo, pode adquirir uma fase “global”, que se deve unicamente à curvatura do espaço onde acontece a evolução. Esta fase pode ser observada interferindo no estado evoluído com o inicial.

O impacto desta pesquisa vai além da extensão da física fundamental. Como a transição se mostrou sensível a certas características do sistema quântico, ela tem potencial para ser utilizada em aplicações de detecção ou caracterização de elementos ópticos.

Mais informações: Manuel F. Ferrer-Garcia et al, Transições topológicas da fase generalizada de Pancharatnam-Berry, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg6810
Informações do diário: Avanços da ciência

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