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Medida de partícula dribla Princípio da Incerteza

Nova metodologia de localização do fóton permite medir seu momento, o que se acreditava ser impossível

Gregory A. Howland
Esse aparato da University of Rochester usa técnicas de “sensoriamento compressivo” para obter medidas mínimas da posição de uma luz laser, assim preservando a capacidade de também medir seu momento.
Por Clara Moskowitz

A mecânica quântica impõe um limite sobre o que podemos saber sobre partículas subatômicas. Em teoria, se físicos determinarem a posição de uma partícula, eles não podem medir seu momento ao mesmo tempo. Mas um novo experimento conseguiu contornar essa regra – o famoso “Princípio da Incerteza” – ao definir a posição aproximada de uma partícula, mantendo sua capacidade de também medir seu momento.

O Princípio da Incerteza, formulado por Werner Heisenberg em 1927, é uma consequência da imprecisão do Universo em escalas miscroscópicas. A mecânica quântica revelou que partículas não são apenas mínusculas bolinhas de gude que agem como objetos comuns, que podemos ver e tocar. Em vez de ficarem em local e tempo específicos, partículas subatômicas existem em uma nuvem de probabilidade. Suas chances de estar em qualquer dado estado são descritas por uma equação chamada de “função de onda quântica”. Qualquer ato de medir uma partícula “colapsa” sua função de onda, forçando-a a escolher um valor para a característica medida e eliminando a possibilidade de saber qualquer coisa sobre suas propriedades relacionadas.

Recentemente, físicos decidiram verificar se poderiam superar essa limitação usando uma nova técnica de engenharia chamada de “sensoriamento compressivo”. Essa ferramenta para realizar medidas de precisão já foi aplicada com sucesso a fotografias digitais, ressonâncias magnéticas e muitas outras tecnologias. Normalmente, dispositivos de medição realizam uma leitura detalhada e, em seguida, comprimem essa leitura para facilitar seu uso. Câmeras fotográficas, por exemplo, pegam grandes arquivos em formato RAW e os comprimem em JPEG. No sensoriamento compressivo, porém, engenheiros tentam comprimir um sinal durante o processo de mensuração, o que lhes permite realizar muito menos medidas – o equivalente a capturar imagens diretamente como JPEG em vez de RAW.

Essa mesma técnica de obter a quantidade mínima de informação necessária para uma medida parecia oferecer uma maneira de contornar o Princípio da Incerteza. Para testar o sensoriamento compressivo no mundo quântico, o físico John C. Howell e sua equipe da University of Rochester se puseram a medir posição e momento de um fóton – uma partícula de luz. Eles ativaram um laser em uma caixa equipada com um arranjo de espelhos que poderiam apontar para um detector, ou para a direção oposta. Esses espelhos formavam um filtro, permitindo que fótons passassem por eles em alguns pontos e bloqueando-os em outros. Se um fóton chegasse ao detector, os físicos saberiam que ele havia passado por um dos locais em que os espelhos permitiam sua passagem. O filtro fornecia uma maneira de medir a posição de uma partícula sem saber exatamente onde ela estava – sem colapsar sua função de onda. “Tudo que sabemos é se o fóton consegue atravessar o arranjo ou não”, explica Gregory A. Howland, principal autor de um artigo que relata a pesquisa, publicada em 26 de junho no periódico Physical Review Letters. “Com esse método ainda conseguimos descobrir seu momento – para onde ele está indo. Mas pagamos um preço por isso: sua medida de direção fica com um pouco de ruído”. Uma medida menos precisa de momento, porém, é melhor que nenhuma.

Os físicos salientam que não quebraram nenhuma lei da física. “Nós não violamos o Princípio da Incerteza”, observa Howland. “Nós só o usamos de maneira inteligente”. A técnica poderia se provar poderosa no desenvolvimento de algumas tecnologias, como criptografia e computação quânticas, que procuram controlar as confusas propriedades quânticas de partículas para usá-las em aplicações tecnológicas. Quanto mais informações obtivermos de medições quânticas, melhor será o desempenho dessas tecnologias. O experimento de Howland oferece uma medida quântica mais eficiente do que era tradicionalmente possível, comenta Aephraim M. Steinberg, físico da University of Toronto que não se envolveu na pesquisa. “Essa é uma de várias novas técnicas que parecem determinadas a se provar indispensáveis para a avaliação de grandes sistemas de forma econômica”. Em outras palavras, os físicos parecem ter encontrado uma maneira de conseguir mais dados com menos medidas. 

Scientific American 6 de agosto 2014

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