Durante anos, os cientistas têm lutado para examinar as “entranhas quânticas” dos objetos sólidos para ver se as suas partículas estão realmente emaranhadas. Embora possamos manipular partículas individuais num vácuo controlado ou num computador quântico, observar o emaranhado coletivo dentro de um pedaço físico de matéria continua a ser um objetivo ilusório.
Agora, uma equipa de investigação liderada por Allen Scheie do Laboratório Nacional de Los Alamos desenvolveu um método inovador para medir este fenómeno, abrindo potencialmente um novo capítulo tanto na física fundamental como no desenvolvimento de tecnologias quânticas.
O desafio de “ver” o emaranhado
O emaranhamento quântico é um fenômeno em que as partículas ficam tão profundamente ligadas que o estado de uma influencia instantaneamente o estado de outra, independentemente da distância entre elas. Esta “ação assustadora” é a espinha dorsal de tecnologias futuras, como redes de comunicação ultrasseguras e poderosos computadores quânticos.
Até o momento, os pesquisadores usaram testes de Bell para confirmar o emaranhamento entre partículas específicas, mas esses métodos são difíceis de escalar para materiais inteiros. Determinar se uma substância sólida – como um cristal ou um metal – está permeada de emaranhamento tem sido quase impossível porque a complexidade do material muitas vezes mascara as conexões quânticas.
O método de nêutrons: uma nova maneira de espiar por dentro
A inovação está no uso de nêutrons como mensageiros. Desde a década de 1950, os físicos sabem que, ao disparar nêutrons contra um material e analisar como eles ricocheteiam ou passam por ele, podem aprender sobre a disposição das partículas em seu interior.
Scheie e sua equipe refinaram esse conceito para calcular Informações Quânticas de Fisher (QFI). Veja como funciona o processo:
1. Bombardeio de nêutrons: Uma amostra de material é bombardeada com nêutrons.
2. Detecção: As propriedades dos nêutrons existentes são coletadas por detectores de alta precisão.
3. Cálculo: Ao analisar os dados de nêutrons, os pesquisadores podem calcular o QFI – um valor matemático que indica o número mínimo de partículas dentro do material que devem ser emaranhadas para produzir aquele resultado específico.
Precisão e versatilidade comprovadas
A equipe testou sua técnica em vários materiais magnéticos, incluindo um conhecido cristal composto de potássio, cobre e flúor. Para garantir que o método era preciso, eles compararam seus resultados experimentais com simulações de computador da estrutura quântica do cristal.
“Foi uma concordância notavelmente estreita entre as curvas experimentais e teóricas”, observou o membro da equipe Pontus Laurell da Universidade de Missouri.
O que torna este método particularmente revolucionário é a sua resiliência :
– Não é necessário modelo: Ao contrário das tentativas anteriores, esta técnica funciona mesmo que os cientistas não tenham de antemão um modelo matemático perfeito do material.
– Tolerância à imperfeição: Permanece eficaz mesmo quando as amostras de material não são cristais “perfeitos”, o que é uma realidade comum em ambientes laboratoriais.
– Aplicação universal: A equipe estabeleceu uma maneira confiável e geralmente aplicável de medir o emaranhamento que pode ser aplicada a uma ampla variedade de novos materiais.
Por que isso é importante para o futuro
Esta descoberta é mais do que apenas uma vitória matemática; é uma ferramenta prática para a próxima geração de tecnologia. À medida que os engenheiros procuram os melhores materiais para construir processadores e sensores quânticos, eles precisam encontrar uma maneira de verificar se esses materiais realmente possuem as propriedades quânticas necessárias para a operação.
Os investigadores estão agora a avançar para um território ainda mais complexo: medir o QFI durante transições de fase. Uma transição de fase é o equivalente quântico da água se transformando em gelo. Nestes pontos críticos, os modelos teóricos falham frequentemente e espera-se que o emaranhamento aumente dramaticamente. Ao testar o seu método aqui, a equipa espera descobrir fenómenos quânticos inteiramente novos que nunca foram observados antes.
Conclusão
Ao usar com sucesso o espalhamento de nêutrons para medir as informações quânticas de Fisher, os pesquisadores forneceram um “termômetro” confiável para emaranhamento em sólidos. Esta inovação fornece o kit de ferramentas essencial necessário para explorar novos materiais e acelerar a transição da física quântica teórica para a tecnologia quântica funcional.
