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Físicos publicam proposta de Teoria de Tudo

“Teoria do Construtor” une em uma estrutura como a informação é processada nos domínios clássico e quântico

: Thierry Ehrmann/Flickr
Retrato pintado de Claude Shannon, o “pai da teoria da informação”.
Por Zeeya Merali

“Uma vez que tenha eliminado o impossível”, opinou famosamente o detetive fictício Sherlock Holmes, “o que quer que reste, não importa o quanto seja improvável, tem de ser a verdade”.

Esse ditado forma o princípio fundamental da “teoria do construtor” — uma candidata à “teoria de tudo” esboçada originalmente em 2012 por David Deutsch, um físico quântico da Oxford University. Seu objetivo era encontrar uma estrutura geral que pudesse englobar todas as teorias físicas ao determinar um conjunto abrangente de “metaleis” (leis sobre leis de primeira ordem) que descrevem o que pode acontecer no Universo e o que é proibido.

Em um artigo postado em 23 de maio na pré-impressão de física, arXiv, a teoria do construtor reivindica seu primeiro sucesso rumo a essa meta ao unificar as duas teorias distintas atualmente utilizadas para descrever o processamento de informação tanto em sistemas macroscópicos clássicos como em objetos subatômicos quânticos.

Atualmente, cientistas da computação empregam uma teoria desenvolvida pelo matemático e criptógrafo americano Claude Shannon na década de 40 para descrever como a informação clássica pode ser codificada e transmitida com eficiência através de canais ruidosos; ou seja, a maior quantidade de dados que pode ser enviada teoricamente por um cabo de fibra óptica sem ficar irremediavelmente corrompida.

Ao mesmo tempo, físicos estão empenhados em construir computadores quânticos que poderiam, em princípio, explorar aspectos peculiares do domínio subatômico para executar determinadas tarefas a um ritmo muito mais veloz que as máquinas clássicas atuais.

Mas os princípios definidos pela teoria de Shannon não podem ser aplicados ao processamento de informação por computadores quânticos.

Na realidade, salienta Deutsch, físicos nem têm uma definição clara do que é “informação quântica” ou como ela se relaciona com a informação clássica. “Se quisermos progredir na busca de novos algoritmos para computadores quânticos, precisamos compreender o que informação quântica realmente é!”, enfatiza. “Até agora, os algoritmos adequados para computadores quânticos foram surpresas descobertas através de erros grosseiros, porque não temos uma teoria subjacente para nos orientar”.

Em 2012, Deutsch delineou a teoria do construtor que, em sua opinião, poderia fornecer a base subjacente para uma esplêndida unificação de todas as teorias, tanto no domínio clássico como no quântico.

O artigo do dia 23 constitui um primeiro passo rumo a essa meta mais abrangente; uma demonstração de como informações clássicas e quânticas podem ser usadas para unificar duas teorias físicas.

De acordo com a teoria do construtor, os componentes mais fundamentais da realidade são entidades, ou “construtores”, que realizam tarefas específicas acompanhadas de um conjunto de leis que definem quais delas um construtor realmente pode executar.

Uma chaleira com uma fonte de energia, por exemplo, pode servir como um construtor capaz de realizar o trabalho de esquentar água. “A linguagem da teoria do construtor oferece um caminho natural para descrever os princípios mais fundamentais que precisam ser obedecidos por todas as teorias subsidiárias, como conservação de energia”, explica Chiara Marletto, física quântica, também de Oxford, e coautora do novo estudo. “Você simplesmente diz que a tarefa de criar energia a partir do nada é impossível”.

Dean Rickles, um filósofo de física da University of Sydney, na Austrália, que não esteve envolvido no desenvolvimento da teoria, está intrigado com seu potencial de unificar as leis da Natureza. “É uma abordagem curiosa e nova da noção de uma teoria de tudo”, observa. “Em princípio, tudo o que é possível em nosso Universo poderia ser escrito em um grande livro que consiste em nada além de tarefas; e nele também estariam codificadas todas as leis da física”.

Para desenvolver suas descrições de informação, Deutsch e Marletto se concentraram em uma tarefa essencial, que é possível em sistemas clássicos, mas impossível nos quânticos: a capacidade de fazer uma cópia.

Físicos sabem, desde a década de 80, que é impossível fazer uma cópia idêntica de um estado quântico desconhecido. Em seu novo artigo Deutsch e Marletto definem um meio de informação clássico como aquele em que todos os estados podem ser copiados com precisão. Em seguida eles calculam quais tarefas têm de ser possíveis em um sistema desse tipo para permanecer em estrita conformidade com a teoria de Shannon.

Os dois colaboradores prosseguem definindo o conceito de um meio de “superinformação” que codifica mensagens que especificam estados físicos específicos — nesse caso, um em que copiar é impossível.

Eles descobriram que um subconjunto especial de seu meio de superinformação exibe as propriedades associadas ao processamento de informação quântica. “Constatamos que quando essa uma restrição, que lhe diz o que você não pode fazer em um meio de superinformação — a tarefa de copiar — está em vigor, você acaba descobrindo o estranho novo poder do processamento da informação, que é uma propriedade de sistemas quânticos”, explica Marletto.

A dupla mostrou que quando essa restrição existe começam a aparecer várias outras propriedades: por exemplo, medir o estado de um meio de superinformação inevitavelmente o perturbará, uma característica comumente associada a sistemas quânticos. Mas como é proibido fazer uma cópia exata de certos conjuntos de estados em um meio de superinformação, isso imprime necessariamente alguma incerteza no resultado da medição.

Os dois cientistas também mostraram que o emaranhamento, a misteriosa propriedade que une objetos quânticos para que eles ajam em conjunto, não importa o quanto estejam distantes um do outro, também surge naturalmente, quando essa restrição à cópia está em vigor.

De acordo com Marletto, a propriedade crucial de um sistema que contém dois estados emaranhados é que a informação armazenada no sistema combinado ultrapasse a informação que pode ser coletada pouco a pouco simplesmente ao examinar cada componente do par individualmente. O todo quântico é maior que a soma de suas partes.

Em seu artigo Deutsch e Marletto demonstram que informação pode ser codificada em dois meios de superinformação de modo que é impossível recuperá-la ao medir os subsistemas individuais separadamente, ou seja, o emaranhamento é inevitável.

Similarmente, o emaranhamento é impossível em um meio clássico. “O que é interessante nesse formalismo é o modo como características comuns da mecânica quântica estão ausentes”, observa Patrick Hayden, um físico quântico da Stanford University. “Tenho grande respeito pelo raciocínio criativo por trás da teoria do construtor e de suas ambições”, acrescenta. Mas ele salienta que há tentativas concorrentes de outros pesquisadores para ganhar uma compreensão mais profunda da mecânica quântica, incluindo ideias baseadas na cópia, e que até o momento ainda é muito cedo para dizer qual delas provará ser a melhor descrição — se é que alguma delas conseguirá isso.

Rickles concorda que levará tempo até que físicos verifiquem se a teoria, que ainda não passou por uma revisão por pares, é realmente bem-sucedida em unir a teoria da informação clássica e quântica.

Uma confirmação daria um impulso à meta de Deutsch de ajudar na busca da tão longamente procurada teoria da gravidade quântica unindo a teoria quântica e a relatividade geral, que atualmente são incompatíveis. “Essa é a primeira vez na história da ciência que se sabe que nossas teorias mais profundas estão erradas; portanto é óbvio que precisamos de uma teoria ainda mais profunda”, conclui Deutsch.

Rickles acredita que a teoria do construtor tem o potencial de prescrever metaleis que a relatividade geral e a teoria quântica precisam obedecer. “As metaleis são ‘entidades’ mais estáveis; elas sobrevivem a revoluções científicas”, observa. “Ter à disposição princípios desse gênero nos dá uma compreensão melhor da natureza da realidade. Eu diria que isso é uma vantagem bastante boa”.

Crédito: Flickr/thierry ehrmann

Sciam 26 de maio de 2014

sciambr 28mai2014