Colaboração de partículas elementares
Como é que duas partículas podem conseguir o que uma só não consegue?
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Há coisas que são mais fáceis de conseguir se não estivermos sozinhos. Como os investigadores da Universidade de Rostock, na Alemanha, demonstraram, esta perceção muito humana também se aplica aos blocos de construção mais fundamentais da natureza. Na sua essência, a mecânica quântica postula que tudo é feito de partículas elementares, que não podem ser divididas em unidades ainda mais pequenas. Este facto levou a candidata a doutoramento Vera Neef, primeira autora da recente publicação "Pairing particles into holonomies", a interrogar-se: "O que é que duas partículas só conseguem fazer se trabalharem em equipa? Poderão elas alcançar em conjunto algo que é impossível para uma partícula sozinha?"
Marco Kirsch
No seu estudo experimental, os investigadores estavam particularmente interessados nos fotões, as partículas fundamentais da luz. "Os fotões têm uma propriedade estranha. Dois fotões podem estar exatamente no mesmo local e ao mesmo tempo. É algo que não se vê em muitas outras partículas", explica o Dr. Tom Wolterink. O Dr. Matthias Heinrich prossegue: "Utilizamos um laser de alta potência para criar os chamados guias de onda num chip de vidro". Estes guias de onda podem ser entendidos como uma autoestrada para a luz. Tal como um carro pode mudar facilmente de faixa na autoestrada, um fotão pode saltar de um guia de ondas para outro. Aqui, a forma geral da autoestrada da luz determina a direção do fotão.
Imaginemos uma autoestrada com várias faixas, em que cada faixa conduz a um destino diferente, e um carro que está a transportar uma mensagem muito importante. Alexander Szameit, diretor do departamento de ótica experimental do estado sólido, explica o significado do seu trabalho: "Para podermos construir um computador quântico, temos de ser capazes de controlar com muita precisão para onde vão os fotões". Por outras palavras, é muito importante saber em que saída o carro sai da autoestrada. No entanto, mesmo pequenos erros podem facilmente forçar o carro a ir para a faixa errada. O Prof. Alexander Szameit prossegue: "Os fotões são bastante delicados. Mesmo a melhor engenharia não pode garantir que um fotão nunca acabe no guia de ondas errado".
"A nossa solução é codificar os dados não num único fotão, mas num par de fotões - essencialmente espalhando a mensagem por dois carros", explica Vera Neef com entusiasmo. Embora, individualmente, ambos os carros ainda tenham a possibilidade de acabar na faixa errada, se apenas um carro chegar a um determinado destino, a mensagem é reconhecida como corrompida e pode ser rapidamente descartada. Esta estratégia funciona tão bem porque a probabilidade de ambos os carros acabarem acidentalmente na mesma faixa errada é pequena. Vera Neef comenta: "Sabendo isto, ficámos muito surpreendidos com a estabilidade do nosso dispositivo. Mesmo alterando as suas propriedades em 10%, os resultados das nossas medições não foram afectados".
Recentemente publicada na prestigiada revista Science Advances, esta investigação alarga o conceito matemático de holonomias de partículas individuais a pares e mesmo a grupos de partículas maiores. Para além de lançar as bases para os futuros computadores quânticos, esta investigação poderá também inspirar uma compreensão mais profunda das partículas fundamentais que constituem os átomos.
Algumas coisas são realmente mais fáceis de conseguir quando se trabalha em conjunto - mesmo como uma equipa de fotões.
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