domingo, 14 de outubro de 2012

Prêmio Nobel de Física de 2012

     Os pesquisadores David Wineland e Serge Haroche foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física de 2012. Eles inventaram e implementaram novas tecnologias e métodos que permitiram a medida e o controle de sistemas quânticos individuais com grande exatidão. Seus trabalhos tornaram viáveis as pesquisas em descoerência quântica através de medidas da evolução de estados tipo “gato de Schrödinger”; os primeiros passos em direção ao computador quântico e o desenvolvimento de relógios ópticos extremamente precisos.

Pesquisa experimental do paradoxo do “gato de Schrödinger”
     Uma questão central na física quântica é a transição entre os mundos clássico e quântico. Esta questão é ilustrada de um modo “popular” através do chamado paradoxo do “gato de Schrödinger”. Este nome refere-se ao experimento mental proposto por Schrödinger em 1935, dando ênfase à dificuldade em aplicar os conceitos da mecânica quântica à vida cotidiana. Enquanto o tempo passa, quando um sistema quântico para de existir como uma superposição de estados e torna-se um ou outro estado? A fronteira entre os mundos quântico e clássico tem sido estudada por muitos físicos desde o começo da mecânica quântica na década de 1930.
     O controle atingido pelos grupos liderados por Haroche e Wineland em sistemas quânticos individuais permitiu a eles realizarem experimentos tipo “gato de Schrödinger” no laboratório, usando fótons e íons. Em um experimento proposto pelo físico brasileiro Luiz Davidovich e executado pelo grupo de Haroche, uma superposição de estados de campo de micro-ondas tipo “gato de Schrödinger” foi criado pelo emaranhamento quântico entre um átomo de Rydberg e o campo da cavidade onde se encontrava o átomo. Tal superposição é muito frágil e pode ser destruída facilmente via acoplamento com o ambiente (nesse caso, por fótons escapando da cavidade). A descoerência desta superposição, isto é, sua evolução em direção à mistura estatística, poderia ser medida em função do tempo e das propriedades da superposição de estados. Wineland e colaboradores realizaram experimentos similares usando tecnologia de “armadilha de íons”. Eles criaram “estados de gato”, consistindo de íons aprisionados individualmente, emaranhados com estados coerentes de movimento e observaram sua descoerência. Recentemente, Haroche e colaboradores criaram “estados de gato”, mediram-nos e fizeram um filme mostrando como eles evoluem de uma superposição de estados para uma mistura clássica.

Computadores quânticos
     Em um artigo teórico publicado em 1995, Cirac e Zoller sugeriram um modo de construir um computador quântico com íons aprisionados. Os bits quânticos (qubits) são codificados em níveis hiperfinos de íons aprisionados, os quais interagem muito fracamente com o ambiente e, portanto, possuem tempos de vida longos. Dois ou mais íons podem ser acoplados através do movimento do centro de massa. Wineland e seu grupo foram os primeiros a executar experimentalmente uma operação de 2 qubits entre movimento e spin para íons Be+. Desde então, o campo da informação quântica baseada em íons aprisionados progrediu consideravelmente. Hoje, a tecnologia de computação quântica mais avançada é baseada em íons aprisionados e tem sido demonstrada com até 14 qubits e uma série de portas e protocolos. Desenvolver grandes dispositivos capazes de realizar cálculos além do que é possível com computadores clássicos requererá a resolução de vários desafios no futuro.

Relógios ópticos
     Relógios baseados em uma transição no domínio óptico são interessantes porque a frequência da transição, a qual está no intervalo da luz visível ou do ultravioleta, é várias ordens de grandeza maiores do que aquela dos relógios de césio operando no intervalo de micro-ondas. Relógios ópticos desenvolvidos por Wineland e colaboradores normalmente atingem uma precisão logo abaixo de 10-17, duas ordens de grandeza mais preciso do que o padrão de frequência atual baseado em relógios de césio.
     Um relógio óptico de íon usa uma transição estreita (proibida) em um único íon, insensível a perturbações. O íon também precisa ter fortes transições permitidas para resfriamento e detecção eficientes. Wineland e colegas desenvolveram uma nova técnica, chamada espectroscopia de lógica quântica, baseada no emaranhamento de duas espécies de íons. Nesta técnica, um íon fornece a transição espectroscópica (por exemplo, 1S0 3P1 em 27Al+), enquanto o outro (por exemplo, 9Be+) possui a forte transição de resfriamento. As precisões de dois relógios ópticos diferentes podem ser comparadas com a ajuda da técnica do pente de frequência, inventada por Hänsch e Hall (Prêmio Nobel de Física em 2005).
     A precisão atingida recentemente por relógios ópticos permitiram Wineland e colaboradores medir efeitos relativísticos, tal como a dilatação temporal a velocidades de alguns quilômetros por hora ou a diferença de potencial gravitacional entre dois pontos com uma diferença de altura de somente 30 cm!
(Fonte: www.nobelprize.org)

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