O gato de Schrödinger mais pesado foi obtido colocando um pequeno cristal em uma superposição de dois estados de oscilação

Mesmo que você não seja um físico quântico, provavelmente já ouviu falar do famoso gato de Schrödinger. Erwin Schrödinger criou gatos que poderiam estar vivos e mortos ao mesmo tempo em um experimento mental em 1935. A aparente contradição – afinal, na vida cotidiana só vemos gatos vivos ou mortos – levou os cientistas a tentar para dar sentido às situações semelhantes in vitro. Até agora, eles conseguiram fazer isso usando, por exemplo, átomos ou moléculas em estados de superposição mecânica quântica de estar em dois lugares ao mesmo tempo.

No ETH, uma equipe de pesquisadores liderada por Yiwen Chu, professor do Laboratório de Física do Estado Sólido, criou um gato de Schrödinger dramaticamente mais pesado colocando um pequeno cristal em uma superposição de dois estados de oscilação. Os resultados foram publicados esta semana na revista ciênciaspoderia levar a qubits mais poderosos e lançar luz sobre o mistério de por que as superposições quânticas não são observadas no mundo macroscópico.

gato em uma caixa

No experimento mental original de Schrödinger, um gato é trancado dentro de uma caixa de metal com material radioativo, um contador Geiger e um frasco de veneno. Em um determinado período de tempo – uma hora, por exemplo – um átomo na matéria pode ou não decair através de um processo de mecânica quântica com certa probabilidade, e os produtos de decaimento podem fazer com que um contador Geiger exploda e acione um mecanismo que estilhaça o frasco contendo o veneno que acabará por matar o gato.

Como um observador externo não pode saber se o átomo realmente decaiu, ele também não sabe se o gato está vivo ou morto – de acordo com a mecânica quântica, que rege o decaimento de um átomo, ele deve estar em um estado de superposição vivo/morto. (A ideia de Schrödinger é comemorada por uma figura de gato em tamanho real do lado de fora de sua antiga casa na Huttenstrasse 9 em Zurique.)

“Claro, no laboratório não podemos realizar tal experimento com um gato real que pesa vários quilos”, diz Zhou. Em vez disso, ela e seus colegas conseguiram criar o chamado estado do gato usando um cristal oscilante, representando o gato, com um circuito supercondutor representando o átomo original. Este circuito é essencialmente um qubit ou qubit que pode assumir os estados lógicos “0” ou “1” ou uma superposição de ambos os estados, “0 + 1”.

A ligação entre o qubit e o cristal “gato” não é um contador Geiger e veneno, mas sim uma camada de material piezoelétrico que cria um campo elétrico quando o cristal muda de forma à medida que oscila. Esse campo elétrico pode ser acoplado ao campo elétrico do qubit e, assim, o estado de superposição do qubit pode ser transferido para o cristal.

Vibrações simultâneas em direções opostas

Como resultado, o cristal agora pode balançar em duas direções ao mesmo tempo – para cima/para baixo e para baixo/para cima, por exemplo. Essas duas direções representam o estado “vivo” ou “morto” do gato. “Ao sobrepor os dois estados de oscilação no cristal, criamos efetivamente um gato de Schrödinger de 16 microgramas”, explica Zhou. Isso é aproximadamente a massa de um grão fino de areia e nem de longe tão grande quanto um gato, mas ainda é bilhões de vezes mais pesado que um átomo ou molécula, tornando-o o gato quântico mais gordo de todos os tempos.

Para que as oscilações sejam verdadeiros estados felinos, é importante que possam ser distinguidas a olho nu. Isso significa que a separação entre os estados “para cima” e “para baixo” deve ser maior do que quaisquer flutuações térmicas ou quantitativas das posições dos átomos dentro do cristal. Zhou e seus colegas examinaram isso medindo a separação espacial dos dois estados usando um qubit supercondutor. Embora a separação medida fosse apenas um bilionésimo de bilionésimo de metro – menor que um átomo, na verdade – era grande o suficiente para distinguir claramente os estados.

Medir pequenas perturbações com casos de gatos

No futuro, Chu gostaria de ampliar ainda mais os limites de bloqueio de seus gatos de cristal. “Isso é interessante porque nos permitirá entender melhor por que os efeitos quânticos desaparecem no mundo macroscópico dos gatos reais”, diz ela.

Além desse interesse um tanto acadêmico, também existem aplicações potenciais em tecnologias quânticas. Por exemplo, as informações quânticas armazenadas em qubits podem se tornar mais robustas usando estados cat compostos por um grande número de átomos em um cristal, em vez de depender de átomos ou íons individuais, como é praticado atualmente. Além disso, a extrema sensibilidade de objetos massivos em estados de superposição ao ruído externo pode ser explorada para fazer medições precisas de pequenas perturbações, como ondas gravitacionais ou para detectar matéria escura.