A mecânica quântica e a computação quântica

Postado Por Yeltsin Lima 

O LHC tem tudo a ver com Física Quântica.

A mecânica quântica é uma teoria física que estuda os eventos que ocorrem na camada atômica e sub-atômica: entre as moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas. Confesso não ter um fascínio pela mecânica quântica “solta” mas, sim, por uma teoria em especial: A Teoria do Tudo (um nome “carinhoso” para Teoria da Grande Unificação). Seu objetivo é nada mais, nada menos, juntar todos os fenômenos físicos (mecânica quântica + relatividade geral) num único tratamento teórico e matemático.

Apesar de pouco conhecida, ela representa um grande avanço para a física e o mundo, já que ela é a base de diversos outros campos da Física e da Química, entre eles Química computacional e Física Nuclear. Inclusive, existe um filme que ajuda a entender (embora alguns apontem que ele cometa vários erros ou que suas teorias são simplesmente baseadas em um espirito…) um pouco da Física Quântica. O nome é What The Fu*k do We Know?!, traduzido para o português como Quem Somos Nós. O problema, na minha opinião, é que na tentativa de juntar física com espiritualidade, eles terminam falando mais da segunda parte, do que da primeira. Num dado momento ele se torna chato, repetitivo e pior: confuso demais. Físicos que lêem o MeioBit, estejam livre para criticar o filme.

Um dos fundamentos da mecânica quântica é o princípio da Incerteza: “Não existe, na mecânica quântica, o conceito de trajetória”. O professor titular (aposentado) Henrique Fleming do Instituto de Física da Universidade de São Paulo apresenta um conteúdo bem interessante (em PDF) sobre mecânica e que merece ser lido. E sobre o Princípio da Incerteza de Heisenberg (citado na primeira linha deste parágrafo)? Ele foi formulado em 1927 por Werner Heisenberg e pode ser explicado assim: “O produto da incerteza associada ao valor de uma coordenada xi e a incerteza associada ao seu correspondente momento linear não pode ser inferior, em grandeza, à constante de Planck normalizada”. Isso é o que a Wikipédia diz e isso complica um pouco a idéia de deixar esse artigo voltado para um público mais leigo em Física. Um site sobre criptografia quântica dá uma pequena resumida nessa frase monstra falada acima: “Segundo o princípio da incerteza, não é possível conhecer com precisão absoluta a posição ou momento de uma partícula. Isso acontece porque para medir qualquer um desses valores acabamos os alterando, e isso não é uma questão de medição, mas sim de física quântica e da natureza das partículas”.

Essa frase citada pelo site da Universidade Federal do Rio de Janeiro sobre Criptografia Quântica, não só ajuda a entender um pouco o assunto, como me ajuda a lembrar de uma cena do filme citado acima em que a personagem principal só de olhar para um objeto, terminava mudando ele de lugar. Era algo como, enquanto a personagem olhava para frente, o objeto assumia diversas posições, quando a personagem olhava para trás, o objeto estava na posição em que ela havia colocado.

Onde está a bola?

Pegando o “gancho” da Criptografia Quântica, podemos falar que a Mecânica Quântica vai ajudar (e muito) a computação atual. Na verdade, ela substituirá usando o conceito de Computação Quântica. Afinal, uma partícula pode estar em dois ou mais estados ao mesmo tempo. Sim, isso tem a ver com a metáfora do gato de Schrödinger em que um gato é colocado em uma caixa, com 50% de chance de estar vivo e 50% de estar morto. A mecânica quântica entende que o gato deve ser considerado morto E vivo ao mesmo tempo, até abrirmos a caixa e verificar. Essa capacidade é chamada superposição.

Os computadores quânticos teriam a capacidade de encontrar todos os fatores primos de um número grande de forma muito rápida. Quem deu o pontapé inicial na história dos computadores quântico foi Richard Feynman em uma de suas palestras na Primeira Conferência de Computação Física no MIT. Isso ocorreu nos anos 80. Essa tabela ajuda a comparar o poder de processamento da computação clássica para a computação quântica:

Um protótipo de uma molécula de Iodo pode aumentar a velocidade de processamento dos processadores (que confuso!) para 10.000 GHz. Sim, um protótipo. E eu que estava feliz para pegar um processador que utilizasse grafeno, agora quero um que use moléculas de Iodo!

A Toshiba disse estar se aproximando dos computadores quânticos. Eu daria uns cinco anos para que essa área passasse a ser utilizada por faculdades e uns dez anos para que os computadores quânticos estejam disponível para comercialização: estou sendo esperançoso? Dica: uma empresa canadense disse ter conseguido criar o primeiro computador quântico comercial em 2007. Ele chegou aos 16 qubits e conseguiu realizar pequenas atividades que um computador clássico conseguiria. A empresa disse que no final de 2010 (desse ano!) eles já teriam um computador com 1 quiloqubit (ou 1024 qubits).

No mais, eu apenas cito algo que o Dr. Fred Alan Wolf falou no filme Quem Somos Nós e que me ajudou a entender algo sobre física quântica: “O que eu achava irreal, agora, para mim, parece de alguma forma a ser mais real do que aquilo que eu penso ser real, que agora parece ser irreal.”. Ou não.

Nova equação pode ser a chave para a Teoria de Tudo

Uma das coisas mais estranhas da física é que existem praticamente duas físicas diferentes: a da relatividade geral, que explica o comportamento da gravidade e corpos gigantescos do universo, como estrelas e planetas; e a mecânica quântica, que explica as menores partículas conhecidas até hoje, como os quarks e o léptons (que formam os prótons, neutrons e elétrons).

Assim como Ruth e Raquel, as duas físicas são irmãs gêmeas, mas não se bicam. Cada uma explica muito bem o campo em que trabalha, mas, quando são combinadas, elas simplesmente não funcionam — acredite, Einsteintentou bastante unificar as diferentes forças do universo, como explicamos neste texto sobre Teoria das Cordas.

Agora, se depender de uma nova equação proposta pelo físico teórico Leonard Susskind, da Universidade Stanford, nos Estados Unidos, as reuniões em família da física serão mais amistosas. Para ele, a ligação entre as duas está nos famosos buracos de minhoca — aquele tipo de atalho que liga dois lugares no espaço-tempo e que Matthew McConaughey usou no filme Interestelar. (No filme, eles explicam o conceito unindo dois pontos ao dobrar uma folha de papel)

(FOTO: REPRODUÇÃO)

A equação é simples: ER = EPR.

Calma, não é preciso fazer cálculos mirabolantes para descobrir o que as letras querem dizer. Na verdade, cada uma delas representa o nome de grande físicos teóricos. O “E” e o “R” se referem justamente a Albert Einstein e a Nathan Rosen, que publicaram um estudo descrevendo os tais buracos de minhoca, em 1935  — por isso, se quiser impressionar, em vez de “buraco de minhoca”, diga “ponte de Einstein-Rosen”, que é o nome técnico do fenômeno.

+ Leia também: Entrevistamos o físico iraniano Cumrun Vafa, um dos estudiosos mais conceituados na área da Teoria das Cordas 

O outro lado da equação não é muito diferente. Com “E” e “R” significando a mesma coisa, sobra o “P”, que se refere ao físico Boris Podolsky, com quem os outros dois cientistas escreveram um outro estudo que descreve o entrelaçamento quântico — não desanime, vamos explicar a seguir.

Em 2013, Susskind e seu colega Juan Maldacena, de Princeton, já haviam sugerido que os dois estudos de Eisntein e Rosen poderiam descrever exatamente a mesma coisa, uma relação que nem Einstein havia considerado. Agora, Susskind retomou a ideia para discutir se as implicações estão corretas.

BURACO DE MINHOCA & ENTRELAÇAMENTO QUÂNTICO

Explicando um pouco melhor cada uma das partes da equação: como já dissemos, os buracos de minhoca são atalhos no espaço e no tempo. Isso quer dizer que, teoricamente, se você cair em um deles, você não só vai surgir em outro lugar do espaço, mas também em um outro tempo (lembra de quando Matthew McConaughey conseguiu retornar ao passado para mandar mensagens para a filha ainda pequena? É tipo isso…).

Já o entrelaçamento quântico descreve como duas partículas diferentes podem interagir de uma forma que dividam a mesma existência, como um irmão gêmeo que pressente o que há de errado com o outro. Ou seja, tudo o que acontece com uma partícula, teoricamente, poderia acontecer também com a outra, mesmo que elas estejam a anos-luz de distância.

No novo estudo, Susskind propõe um cenário hipotético no qual Alice e Bob peguem um punhado de partículas entrelaçadas e viajem para direções opostas do universo (lembre-se, isso é só um exercício mental). Ao chegaram em seus destinos, os dois esmagam suas partículas entrelaçadas com muitíssima força. O resultado, segundo Susskind, seriam dois buracos negros diferentes ligados por um buraco de minhoca gigante. Essa seria a ligação dos dois campos diferentes da física, que poderia servir de base para a Teoria de Tudo com a qual Einstein sempre sonhou. 

É muito cedo para saber se isso tudo é verdade. O estudo ainda precisa passar por uma revisão formal, apesar de já estar aberto para quem quiser estudá-lo. Mas, como lembrou Tom Siegfried, na revista ScienceNews, Susskind não foi o único a ter esta ideia. Um time de físicos do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) sugeriu uma hipótese parecida.

“Para mim, parece óbvio que ER = EPR é verdade, isso afetaria as nossas fundações e interpretações da mecânica quântica”, escreveu Susskind. “Mecânica quântica e gravidade podem estar mais entrelaçadas do que nós imaginamos.”