Pesquisadores descobrem nova propriedade fundamental da mecânica quântica

Por , em 11.01.2016
Even an individual photon can travel along both arms of the interferometer at the same time. When it is unknown which path it is travelling along, we observe interference and the appearance of interference fringes. A strong signal is visible where the crests of light waves meet, and a weak signal is obtained at the meeting point of the troughs. If it is possible to determine which arm the photon travelled along, following leakage of information from the interferometer, the fringes disappear. (Source: NLTK/Tentaris/Maciej Fro³ow) Nawet pojedynczy foton mo¿e biec przez oba ramiona interferometru jednoczeœnie. Gdy nie wiadomo, któr¹ drogê wybra³, dochodzi do interferencji i tworz¹ siê pr¹¿ki interferencyjne. Silny sygna³ jest wtedy widoczny w miejscach, gdzie spotykaj¹ siê grzbiety fal œwietlnych, s³aby – tam, gdzie grzbiet fali natrafia na dolinê. Jeœli informacja z interferometru wycieknie i bêdzie mo¿na okreœliæ, którym ramieniem porusza³ siê foton, pr¹¿ki interferencyjne znikn¹. (ród³o: NLTK/Tentaris/Maciej Fro³ow)

Nanotecnólogos do instituto de pesquisa MESA +, da Universidade de Twente, na Holanda, descobriram uma nova propriedade fundamental de correntes elétricas em circuitos de metal muito pequenos. Eles demonstraram como os elétrons podem se espalhar sobre o circuito como ondas e causar efeitos de interferência em lugares onde não há corrente elétrica alguma sendo conduzida. Os resultados foram publicados na revista britânica “Scientific Reports”, da “Nature.”

Conforme explica o portal Phys.org, a geometria do circuito desempenha um papel fundamental neste chamado “efeito não local”, sendo que a interferência é uma consequência direta do caráter de onda mecânica quântica dos elétrons e da geometria específica do circuito. Este é um efeito que deve ser levado em conta por designers de computadores quânticos.

A interferência é um fenômeno comum na natureza e ocorre quando uma ou mais ondas que estão se propagando interagem de forma coerente. A interferência de ondas de som, luz ou água é bem conhecida, mas os portadores de corrente elétrica – elétrons – também podem interferir. Isso mostra que os elétrons também devem ser considerados como ondas, ao menos em circuitos de nanoescala a temperaturas extremamente baixas: um exemplo canônico da dualidade partícula-onda da mecânica quântica.

Anel de ouro

Os pesquisadores demonstraram a interferência eletrônica em um anel de ouro com um diâmetro de apenas 500 nanômetros (um nanômetro é um milhão de vezes menor que um milímetro). Um dos lados do anel foi conectado a um fio através do qual uma corrente eléctrica pode ser conduzida. No outro lado, o anel foi conectado a um fio com um voltímetro ligado a ele. Quando uma corrente era aplicada, e um campo magnético variável era enviado através do anel, os investigadores detectaram a interferência de elétrons no outro lado do anel, embora nenhuma corrente líquida fluísse através dele.

Isso mostra que as ondas de elétrons podem “vazar” para o anel e alterar as propriedades elétricas em outras partes do circuito, mesmo quando, tradicionalmente, não se espera que nada aconteça. Embora o anel de ouro seja difusor (o que significa que o percurso livre médio do elétron é muito menor do que o anel), o efeito foi surpreendentemente nítido.

Processamento de informação quântica

O resultado do experimento é uma consequência direta do fato de que as equações quânticas de movimento são não locais. A capacidade intuitiva de objetos saberem instantaneamente sobre o estado de outro, mesmo quando separados por grandes distâncias, é outro tipo de não localidade. Einstein referiu-se a este fato como “ação fantasmagórica à distância”.

Os resultados da equipe de Twente ajudam a compreender melhor o primeiro tipo de não localidade, chamada de não localidade dinâmica, que desempenha um papel fundamental em todas as experiências de interferência quântica. Sabe-se que a interferência quântica é afetada por decoerência (em que o ambiente físico provoca a perda de memória de fase) e através da remoção da não localidade dinâmica, portanto, destruindo o padrão de interferência.

Agora, o novo estudo mostrou uma nova maneira de afetar a não localidade dinâmica – ou seja, a geometria do circuito. Entender esse efeito fundamental é importante para o futuro processamento de informação quântica, como na criação de um computador quântico. [Phys.org, Scientific Reports]

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