Grandes problemas quânticos: tudo está conectado | Chi vó non pó
Grandes problemas quânticos: tudo está conectado
Publicado 26 de jan de 2016
Link para o texto original: Solving hard quantum problems: Everything is connected
Novos processos para cálculos de vários corpos
Ondas em um condensado de Bose-einstein: um efeito de várias partículas
Sistemas quânticos são extremamente difíceis de analisar, se consistirem em mais do que umas poucas partes. Não é tão difícil calcular um único átomo de hidrogênio, porém, para descrever uma nuvem com milhares de átomos, normalmente são necessárias aproximações grosseiras. A razão disso é que as partículas quânticas são conectadas entre si e não podem ser descritas separadamente. Kaspar Sakmann (TU Wien, Vienna) e Mark Kasevich (Stanford, USA) agora demonstram, em um artigo publicado em Nature Physics que este problema pode ser superado. Eles tiveram sucesso em calcular efeitos em nuvens de átomos super-resfriados que só podem ser explicados em termos das correlações quânticas entre vários átomos. Essas nuvens de átomos são conhecidas como Condensados de Bose-Einstein e são um campo ativo de pesquisas.
A física quântica é um jogo de sorte e aleatoriedade. Inicialmente, os átomos em uma nuvem de átomos resfriada não têm uma posição predeterminada. De forma muito parecida com um dado [de jogo] lançado pelo ar, onde o número ainda não é conhecido, os átomos estão localizados em todas as posições possíveis ao mesmo tempo. Somente quando são medidos é que suas posições são fixadas. "Lançamos uma luz sobre a nuvem de átomos que a absorvem", explica Kaspar Sakmann. "Os átomos são fotografados e isso é o que determina suas posições. O resultado é totalmente aleatório".
No entanto, existe uma diferença fundamental entre a aleatoriedade quântica e um jogo de dados: Se lançarmos dados diferentes ao mesmo tempo, eles podem ser considerados independentes um do outro. Se sair ou não o número seis no primeiro dado, isto não influencia o número que vai sair no segundo .Por outro lado, os átomos na nuvem são fisicamente conectados pela física quântica. Não faz sentido analisá-los individualmente; eles são um grande objeto quântico. Portanto, o resultado da medição de cada posição de qualquer átomos depende das posições de todos os outros átomos de uma forma matematicamente complicada.
"Não é difícil estabelecer a probabilidade de encontrar uma partícula em uma posição específica", diz Kaspar Sakmann. "A probabilidade é mais alta no centro da nuvem e diminui gradualmente na direção das bordas". Em um sistema aleatório clássico, esta seria toda a informação necessária. Se sabemos que, a cada lance de um dado, cada número tem 1/6 de probabulidade de sair, também podemos calcular a probabilidade de obtermos três números 1 com três dados. Mesmo que o resultado de três números 1 se repita cinco vezes, a probabilidade permanece a mesma para a próxima vez. Na física quântica é mais complicado do que isso. .
"O problema é resolvido passo a passo", explica Sakmann. "Primeiro se calcula a probabilidade da primeira partícula ser medida em uma certa posição. A probabilidade de distribuição espacial da segunda partícula depende de onde a primeira partícula foi encontrada. A posição da terceira partícula depende das duas primeiras e assim por diante". Para que se possa descrever a posição da última partícula, todas as outras posições têm que ser conhecidas. Este tipo de entrelaçamento quântico torna o problema matemático extremamente desafiador.
Somente as correlações podem explicar os dados experimentais
Mas estas correlações entre várias partículas são extremamente importantes – por exemplo, para calcular o comportamento dos átomos em uma colisão entre condensados de Bose-Einstein. "As experiências mostram que tais colisões podem conduzir a um tipo especial de ondas quânticas. Em certas posições vamos encontras muitas partículas, em uma posição adjacente, podemos não encontrar partícula alguma", afirma Kaspar Sakmann. "Se considerarmos os átomos separadamente, isto não pode ser explicado. Somente se levarmos em conta toda a distribuição quântica, com todas as suas correlações de mais alto nível, essas ondas podem ser reproduzidas por nossos cálculos".
Outros fenômenos também forma calculados com o mesmo processo, por exemplo, condensados de Bose-Einstein agitados com um feixe de laser, de forma que emergem pequenos vórtices – outro típico efeito quântico de muitas partículas. "Nossos resultados demonstram como são importantes essas correlações e que é possível incluí-las nos cálculos quânticos, a despeito de toda dificuldade matemática", diz Sakmann. Com certas modificações, a abordagem pode vir a ser útil para mutos outros sistemas quânticos também.