Aula 01 – Computação Quântica – Física Quântica

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Aula 01 – Computação Quântica – Física Quântica

Computação Quântica - Física Quântica

Computação Quântica – Física Quântica

Computação Quântica

Antes de abordar o assunto computação quântica, vamos entender melhor como é que funciona a mecânica quântica.

Vamos ver como é que é a dinâmica do mundo subatômico, o mundo das micro partículas que formam tudo e todos, o universo, as estrelas, planetas, nós mesmos, nossos pensamentos, desejos, nosso poder de observação, etc.

Mecânica Quântica

Vídeo adaptado do Eugene Khutoryansky

Os fundamentos da Mecânica Quântica são explicados pelo experimento da fenda dupla.

Vamos imaginar que temos uma parede com dois orifícios.

Suponha que atiremos bolas de gude nela, uma bola de gude de cada vez.

Atrás da parede, temos um pano.

Cada vez que uma bola de gude atinge o tecido, marcamos onde ela atingiu o pano.

Veja no vídeo do post  para entender melhor.

Quando as bolas de gude atingem o pano no mesmo local mais de uma vez, tornamos a marca vermelha mais escura.

Algumas bolas de gude conseguem atravessar os orifícios ricocheteando em ângulos variados.

Mas, a maioria das bolinhas que atravessam os furos continua em linha reta.

Depois de um tempo, haverá muitas marcas vermelhas no pano.

As marcas vermelhas mais escuras estarão diretamente atrás dos dois orifícios.

Agora, suponha que os dois orifícios sejam muito estreitos.

Suponha que as bolinhas sejas muito pequenas.

Agora o resultado é muito diferente.

Um padrão listrado é produzido.

As bolinhas nunca atingem o tecido nas áreas entre as listras.

Padrão Universal

Todas as partículas do Universo produzem esse padrão listrado, desde que elas e os buracos sejam pequenos o suficiente.

Não importa quantas vezes repitamos esse experimento, e não importa que tipo de objeto usamos para substituir as bolinhas, o resultado é sempre o mesmo.

Apenas um fenômeno conhecido pode explicar esse resultado.

Ondas!

Quando uma onda passa através de um buraco, ela se espalha do outro lado.

Se houver dois orifícios, duas ondas serão produzidas.

Quando você tem duas ondas, elas interagem umas com as outras.

Em algumas áreas, eles se fortalecem e, em outras, se cancelam.

Isso cria um padrão listrado.

Este é exatamente o mesmo padrão que vimos antes.

Isso significa que todos os objetos realmente se comportam como ondas.

Mas se todos os objetos se comportarem como ondas, então por que não vemos um padrão listrado para as bolinhas grandes?

Objetos com muita energia

Objetos grandes têm muito mais energia que objetos pequenos.

As ondas têm mais energia por ter uma frequência mais alta.

Quando ondas com frequências mais altas interagem entre si, o padrão é diferente

Objetos grandes têm mais energia e, portanto, se comportam como ondas de alta frequência.

É por isso que objetos grandes não produzem um padrão listrado, mas objetos pequenos sim.

Mas ainda há um problema.

Para que uma onda produza um padrão listrado, cada onda deve passar simultaneamente pelos dois orifícios, para que haja duas novas ondas que interajam.

Mas, estamos atirando as bolinhas de gude na parede apenas uma bola de gude de cada vez.

Isso significa que cada bolinha de gude deve passar de algum modo pelos dois orifícios simultaneamente para criar o padrão listrado.

Vamos ver se é isso que realmente acontece?

Só que ao bloquear um dos orifícios, o padrão listrado desaparece!

A maioria das marcas agora está diretamente atrás do único orifício aberto.

Agora vamos bloquear o outro buraco.

Novamente, as linhas mais escuras estão diretamente atrás do único orifício aberto.

Mas, se desbloquearmos ambos os orifícios, o padrão listrado retornará.

As áreas atingidas muitas vezes quando um dos orifícios foi bloqueado, agora nunca são atingidas quando os dois estão abertos.

Isso significa que cada bolinhas de gude precisa passar simultaneamente pelos dois orifícios para produzir um padrão listrado.

Vamos testar isso colocando um detector na frente de cada buraco?

Devemos esperar que os dois detectores indiquem simultaneamente que o mármore passa por ele.

No entanto, não é isso que acontece.

Cada bolinhas de gude passa apenas por um detector ou outro, mas nunca por ambos.

Além disso, uma vez que colocamos detectores na frente dos orifícios, o padrão listrado desaparece.

Agora, as linhas mais escuras estão diretamente atrás dos dois orifícios, exatamente como quando bloqueamos um orifício por vez.

Vamos tentar colocar um detector na frente de apenas um dos dois orifícios.

Um ou dois detectores, dá no mesmo

Acontece que ter apenas um detector tem o mesmo efeito que ter dois detectores, e faz com que o padrão listrado desapareça.

Qualquer tentativa de descobrir qual dos dois furos a bolinha passa, força o mármore a passar por um buraco ou pelo outro, e não por ambos.

Um detector tem o mesmo efeito que dois porque, uma vez que sabemos se o mármore passou por um buraco, também sabemos automaticamente se ele passou pelo outro.

Uma bola de gude atravessa os dois orifícios somente quando não estamos tentando descobrir por qual orifício ele passou.

Mas quando tentamos descobrir, a bolinha passa por apenas um buraco ou outro.

Então, e se colocarmos detectores na frente dos dois orifícios, e apenas fecharmos os olhos e não olharmos?

Não sabemos ao certo o que está acontecendo quando não estamos olhando, mas sabemos o que a matemática que descreve as ondas nos diz.

Quando as ondas passam através de um detector, as ondas são alteradas para que não possam mais interagir umas com as outras.

Isso significa que o padrão listrado desaparecerá mesmo se não o estivermos assistindo.

Os detectores farão com que isso aconteça por conta própria.

No entanto, a matemática também nos diz que cada onda ainda passa simultaneamente pelos dois orifícios, mesmo com os detectores presentes.

Mas, quando abrimos os olhos e olhamos, sempre vemos o detector indicando que a bolinha passou por apenas um buraco ou outro, e nunca pelos dois.

Cada onda ainda passa simultaneamente através dos dois orifícios mesmo com os detectores presentes.

Mas, quando abrimos os olhos e olhamos, a gente sempre vê o detector indicando que a bolinha passa por apenas um buraco ou o outro, e nunca por ambos ao mesmo tempo.

Isso significa que as partículas devem ser mais do que apenas onda.

A onda apenas descreve a probabilidade de onde veremos a partícula quando a olhamos.

A probabilidade da partícula estar em um local específico é dada pela amplitude da onda.

Quanto maior a amplitude da onda em um local específico, maior a probabilidade de vermos a bolinha quando olhamos.

Isso significa que nunca podemos conhecer simultaneamente a posição e o momento de um objeto.

Antes que a onda atinja o detector, sabemos exatamente em que direção a energia (momentum) está.

No entanto, não sabemos nada sobre a posição do objeto.

Imediatamente depois de vermos a bolinha atingir o detector, sabemos exatamente onde está sua posição, mas antes, não sabemos nada sobre a direção do momento, da energia.

Não somos apenas capazes de medir simultaneamente a posição e o momento de um objeto, o objeto nem sequer tem uma posição ou momento específico até ser observado.

Se a partícula sempre teve uma posição específica, então ela não seria capaz de passar pelos dois furos simultaneamente, necessário para produzir o padrão listrado.

Mas, se todos os objetos são apenas uma onda de probabilidade até os observarmos, então isso significa que os detectores e todos os objetos com os quais as partículas interagem também são apenas uma onda de probabilidade.

Suponha que coloquemos um objeto atrás de cada um dos dois orifícios.

A bolinha derrubará um dos dois objetos, dependendo do buraco pelo qual passar.

Se fecharmos os olhos e não olharmos, a onda de probabilidade passará pelos dois buracos, e cada objeto a ser derrubado também se tornará uma onda de probabilidade.

Assim como cada bolinha passa simultaneamente pelos dois furos, cada objeto agora está simultaneamente em pé e derrubado.

Não importa quanto tempo esperemos depois que as bolinha atingirem os objetos, cada objeto continuará com uma probabilidade de permanecer na posição de pé e cada objeto também continuará com uma probabilidade de estar na posição derrubada.

De acordo com a matemática que descreve as ondas de probabilidade, nenhum resultado é certo.

É somente quando abrimos os olhos e olhamos que vemos apenas um resultado, ou outro.

Não é só que nós mesmos não sabemos o resultado até olharmos, parece que até o próprio universo não sabe qual objeto está de pé e qual está derrubado no chão até abrirmos nossos olhos e observarmos os resultados.

Para explicar por que esse é o caso, e o que isso significa sobre a natureza fundamental do nosso universo, vamos falar sobre rotação(spin).

A direção do giro de uma partícula pode ser descrita por uma seta imaginária.

Partículas girando em direções opostas terão suas setas apontando em direções opostas.

As partículas são pequenas demais para a gente ver o giro delas diretamente com nossos olhos, mas, podemos construir detectores que nos dizem se o giro está na direção da placa vermelha, ou se o giro estiver na direção da placa azul, veja no vídeo do post.

Suponha que a gente ache que já sabemos do giro de uma partícula antes do tempo, porque já medimos anteriormente e alinhamos a seta nessa direção.

O detector sempre nos dará o mesmo resultado que medimos anteriormente.

Mas, se o giro que medimos anteriormente não estiver na mesma direção que o detector, então, o ato de medir o giro acaba mudando.

Não é possível medir simultaneamente o giro de uma partícula em mais de uma direção por vez.

Se queremos saber a direção do giro na direção horizontal, precisamos girar o detector.

Mas por que isso significa que o Universo não sabe o que um objeto está fazendo até que o observemos?

A resposta está no fato de que podemos produzir pares de partículas que sempre giram em direções opostas.

Se os dois detectores estiverem alinhados na mesma direção, quando a rotação de uma partícula é medida em direção à placa vermelha, a rotação do seu parceiro é sempre medida em direção à placa azul.

Isso é verdade 100% do tempo.

Isso ainda é verdade na grande maioria das vezes, mesmo se compensarmos os detectores em 45 graus.

Sabemos disso com base no experimento.

Se compensarmos os detectores em 45 graus, quando o giro de uma partícula está na direção da placa vermelha, a rotação do seu parceiro será em direção ao placa azul, a grande maioria das vezes.

“Grande maioria” significa 85% do tempo.

Suponha que os dois detectores estejam perfeitamente alinhados um com o outro e ambos estejam na posição diagonal.

O universo sabe antecipadamente que a primeira partícula será medida em direção à placa vermelha, e que a rotação da segunda partícula será, portanto, em direção à placa azul?

Se o Universo sabe antecipadamente que o giro da segunda partícula será em direção à placa azul, isso significa que o Universo deve saber que o giro da primeira partícula provavelmente será em direção à placa vermelha.

Mesmo se girarmos o detector em 45 graus, na posição vertical ou na horizontal.

Portanto, se o Universo conhece os resultados na observação diagonal antes do tempo, então o Universo também saberia que, se um detector for girado na posição vertical e o outro detector será girado para a posição horizontal, as duas partículas provavelmente ainda estarão girando em direções opostas.

Mas, quando realmente fazemos o experimento, não é isso que acontece.

Quando os dois detectores são deslocados em 90 graus, não há correlação entre os giros medidos das duas partículas.

Quando os dois detectores são deslocados em 90 graus, os giros de duas partículas têm a mesma probabilidade de serem lidos na mesma direção do que em direções opostas.

Portanto, se partimos do princípio de que o Universo sabe antecipadamente quais serão as medidas, isso leva a uma contradição.

Assumir que o Universo sabe as respostas antes do tempo implica que na maior parte do tempo, a rotação vertical medida de uma partícula deve estar na direção oposta à rotação horizontal medida da segunda partícula.

Mas sabemos que esse não é o caso.

A aparente implicação é que o universo não pode saber antecipadamente qual será a medida da rotação, e o universo só se decide quando a rotação é realmente observada.

A implicação aparente também é que, quando a rotação de uma partícula é medida, ela envia uma mensagem instantânea ao parceiro, girando na direção oposta.

Se cada partícula decide em que direção está girando apenas quando é observada.

Então precisamos dessa mensagem instantânea de uma partícula para outra para garantir que as duas partículas sempre decidam girar em direções opostas quando os detectores estiverem alinhados.

Isso é verdade, não importa a que distância as duas partículas estão afastadas uma da outra.

Até mesmo se as duas partículas estiverem em lados opostos do universo antes de fazermos nossa observação, esta mensagem instantânea ainda parece ocorrer.

Até observarmos as partículas, seus giros não passam de probabilidades.

Mas precisamos observar apenas uma das duas partículas para que ambas decidam simultaneamente em que direção girar.

Se tudo no universo é feito dessas partículas, incluindo os próprios detectores, então os detectores também não passam de uma probabilidade até serem observados.

De acordo com a matemática que descreve as probabilidades das partículas, passar pelo detector não é o que faz com que o giro da partícula decida girar em uma direção ou outra.

A passagem pelo detector prende o detector à partícula, da mesma maneira que as duas partículas estão entrelaçadas uma à outra.

No momento em que olhamos para o detector, ele parece enviar uma mensagem instantânea para a partícula, para que a medição do detector esteja de acordo com o giro da partícula.

Da mesma maneira que as duas partículas parecem enviar mensagens instantâneas uma para a outra.

Existem muitas explicações possíveis sobre o que realmente acontece e como interpretar esses resultados.

Mas se realmente temos esses tipos de mensagens instantâneas, que são mais rápidas que a velocidade da luz, isso cria uma situação interessante com a Teoria da Relatividade de Einstein.

Teoria da Relatividade de Einstein

De acordo com a Teoria da Relatividade de Einstein, observadores diferentes discordarão sobre qual dos dois eventos ocorreu primeiro, e nenhum observador é mais correto que o outro.

Do ponto de vista de um observador, a partícula da direita foi observada primeiro, e fez com que a partícula esquerda mudasse de rotação.

Do ponto de vista de outro observador, a partícula da esquerda foi observada primeiro, e fez com que a partícula da direita mudasse de rotação.

Portanto, não podemos saber qual desses eventos é a causa e qual deles é o efeito, já que ambos os pontos de vista são igualmente válidos.

De fato, de acordo com a Mecânica Quântica, não podemos nem saber qual partícula é qual.

Suponha que temos duas partículas em um recipiente.

Cada partícula não possui sua própria onda de probabilidade separada.

Existe apenas uma onda de probabilidade, que descreve a probabilidade de medir as duas partículas em todas as combinações possíveis de posições.

A probabilidade de que a partícula 1 esteja em uma posição e de que a partícula 2 esteja em outra posição é exatamente igual à probabilidade de as duas partículas estarem nas posições trocadas.

Portanto, nem podemos saber se a partícula que estamos observando é a mesma partícula que medimos anteriormente.

Se pensarmos em nosso recipiente como o universo inteiro, isso implicaria que o universo consiste em apenas uma onda de probabilidade, governando a probabilidade de todas as partículas existentes.

Mas, se nós mesmos somos feitos exatamente dessas mesmas partículas, então por que o ato de observarmos algo tão fundamentalmente diferente de tudo o mais no universo?

Este é um dos maiores mistérios científicos e filosóficos não resolvidos de todos os tempos.

Na próxima aula começamos a falar de computação quântica propriamente dito.

Valeu, ficamos por aqui. 🙂

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Obrigado, até a próxima 😉

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