O COMPUTADOR QUÂNTICO

Há muito tempo sonhamos com um computador sem limites de operabilidade, ou seja, com capacidade inimaginável. Desde o século XX, físicos do mundo todo vem trabalhando em uma das áreas que mais contribui para o possível desenvolvimento deste computador, a Óptica Quântica. Alguns temas importantes dessa área é a Informação Quântica, Emaranhamento e estudos de Sistemas Quânticos Abertos. Com as pesquisas nessa área, hoje estamos vislumbrando certas possibilidades de, em um futuro talvez distante, construir uma super máquina com capacidades de processamento muito além do que é possível nos dias de hoje.

O bit clássico e o bit quântico

Neste tópico irei abordar de maneira resumida, para que o leitor não seja desmotivado, uma das grandes motivações para pesquisarmos e aperfeiçoarmos nossos conhecimentos sobre as sutilezas da mecânica quântica.

A primeira definição que surge, é a definição de um bit quântico. Como sabemos um bit clássico é dado por 0 ou por 1, mas de forma bem determinada. No casa de um bit quântico, ou qubit, ele também pode assumir valor 0 ou 1. Mas o que difere um bit clássico de um bit quântico é o fato de o qubit poder ser expresso como uma combinação linear de 0 e 1, em outras palavras, enquanto um bit clássico “carrega” a informação 0 ou 1, um bit quântico pode carregar as duas informações simultaneamente, porém, apenas uma delas pode ser medida. Neste caso, usa-se (em alguns casos) o estado de polarização do fóton: se o fóton estiver polarizado verticalmente então significa que a entrada é 0, caso contrário a entrada é 1. A relação entre bits e qubits é fantástica. Por exemplo, para representarmos os números de 0 a 3, precisamos de 4 bits, ou seja, as combinações 00, 01, 10, 11.

Com o computador quântico poderemos representar esses mesmos dados usando apenas 2 qubits. Existe uma relação forte entre o número de bits para representar todas as informações um banco de dados e o número de qubits que precisamos para representar a mesma quantidades de informações (veja a tabela ao lado). Isso nos dá uma maior capacidade de armazenamento de informação em menos espaço da memória.

Outra vantagem é na busca de dados em bancos. Para procurar uma informação no computador, o tempo de busca depende do número N de informações no banco de dados de um computador. No caso de um computador quântico, o número de buscas diminui exponencialmente (mais precisamente com a raiz quadrada de N) com relação ao número de dados. Então, enquanto um computador clássico faz 10.000 buscas, em um banco com 10.000 dados, o computador quântico faria a mesma tarefa realizando apenas 100 buscas.

O problema

O que difere um sistema clássico de um sistema quântico é o que chamamos de determinismo. A mecânica clássica baseia-se no determinismo. Determinismo no sentido de podermos prever as quantidades do sistema sem interagir com o sistema. Em mecânica quântica isso não é válido. A mecânica quântica tem uma característica probabilística. E descobriu-se que o fato de um sistema quântico interagir com ambiente, o leva à “classicalidade”, ou seja, perde a sua característica probabilística.

Este fato é uma das pedras no sapato da computação quântica, pois ainda não se sabe como fazer para que um computador quântico não se “classicalize”, ou seja, torne-se um computador comum, como esses da sua casa ou da casa do seu amigo.

Ainda há muito a se descobrir. Ainda há muito para pesquisar até que o computador quântico chegue à sua casa!

Em caso de duvidas, sugestões, críticas e solicitações de materiais, faça-os nos comentários.

TELETRANSPORTE: SERÁ POSSÍVEL?

Para os amantes de filmes de ficção científica, mais precisamente de Star Trek, ou até mesmo do desenho animado Dragon Ball Z, ficava sempre a esperança de podermos nos teletransportar da mesma forma que o personagem Goku. Será mesmo que o teletransporte é possível? Para responder a essa pergunta, vamos nos basear num artigo científico publicado em 1993 por um grupo de cientistas. Tal trabalho é intitulado Teleporting na Unknow Quantum State via Dual Classicaland Einstein-Podolsky-RosenChannels. Mas é importante salientar que não existe apenas esse trabalho na área.

Consideremos dois personagens, uma chamada Alice e outro chamado Bob. Alice, em seu laboratório aqui na terra, possui duas partículas que vamos chama-las de B1 e B2 (em homenagem aos Bananas de Pijamas). Bob, por sua vez, está em seu laboratório em qualquer lugar da galáxia (ou até mesmo em outra galáxia). Então vamos explicar passo a passo como funcionaria o teletransporte da partícula B1. Lembrando que não necessariamente precisamos saber o “comportamento” da partícula B1 (ou melhor, não precisamos conhecer o estado quântico da partícula B1).

Primeiramente devemos considerar que as partículas B2 e a partícula do Bob devem estar Emaranhadas. Mas o que significa uma partícula estar emaranhada? Significa que qualquer medida feita sobre uma das partículas, afeta o estado quântico da outra. Para melhor exemplificar, é como se existissem duas pessoas, que moram em mundos diferentes, e que ao fazermos uma rir, a outra também ri, ao fazermos uma chorar, a outra ri (este não é melhor exemplo de todos, mas funciona). Assim, quando fazemos uma medida na partícula B2, a partícula do Bob é afetada de algum modo.

Quando Alice realiza uma medição sobre as partículas B1 e B2, isso faz com que a partícula do Bob sofra uma alteração, e essa alteração ocorre de tal forma que as informações contidas na partícula B1 sejam projetadas sobre a partícula do Bob, ou seja, as informações da partícula B1 são teletransportadas para a partícula do Bob e esta começa a se comportar como a partícula B1 (fica no mesmo estado quântico inicial da partícula B1). Assim, partículas que são descritas pelo mesmo estado quântico são equivalentes, ou seja, é como se a partícula do Bob tivesse se transformado na partícula B1. O problema desse processo, é que a partícula B1 (inicialmente no laboratório da Alice) é destruída durante o processo.

Então, podemos ver que o teletransporte é possível sim, mas não o teletransporte de matéria, e sim, de informações. Assim, se quisermos teletransportar um gato de um local a outro, devemos ter, nesse local, material suficiente para que o novo gato se forme a partir dele. Embora esse não seja o meio de transporte mais seguro do mundo, ele poderia ser de grande ajuda para muita gente. Um grupo de cientistas chineses conseguiu tal façanha, onde eles teletransportaram o estado quântico de um conjunto de partículas de Rubídio (cerca de 1mm de raio) à uma distância de 50cm de outro conjunto de partículas exatamente iguais, mas em estados diferentes.

Assim, fica a questão: Será que um dia poderemos nos teletransportar como os personagens de Star Trek? Não poderemos, a princípio, responder com total segurança essa pergunta, mas uma coisa é certa, TEORICAMENTE há uma possibilidade!

O QUE É A TEORIA DAS CORDAS?

Tentarei, da forma mais simples possível, falar sobre esse assunto (do qual não domino) para que o leitor entenda as principais ideias e objetivos da chamada Teoria das Cordas.

Desde Albert Einstein os físicos vêm tentando unificar as a Mecânica Quântica com a Gravitação, pois, temos neste contexto uma pergunta simples: Sabemos que a Mecânica Quântica é inútil quando tentamos descrever interações a nível cosmológico, assim como a Gravitação falha quando aplicada ao “micromundo”. Mas porque usamos a Mecânica Quântica para descrever o micromundo (quando a escala que trabalhamos é menor do que o raio de Borh) e usamos a Relatividade Geral para descrever o cosmos (Galáxias, estrelas, planetas, etc...)? Seria possível uma única teoria que explicaria perfeitamente a Mecânica Quântica e a Gravitação?

Essa busca foi bastante motivada depois do eletromagnetismo. Acreditava-se que fenômenos elétricos e magnéticos existiam de forma independente uma da outra. Mas daí vem uma das primeiras unificações da história, o Eletromagnetismo (Teoria que explica fenômenos elétricos e magnéticos) que teve maior impacto com as equações da lei de Lenz, Lei de Faraday e de Ampère e, por fim, com as chamadas equações de Maxwell.

Depois que conseguiram quantizar o campo eletromagnético, construíram uma teoria chamada Eletrodinâmica Quântica, que é uma espécie de formulação quântica do eletromagnetismo. E, já sabemos que o campo gravitacional também é quantizado, assim é de se esperar que possa existir uma teoria que seja uma formulação quântica da gravitação, e que o mesmo possa explicar os fenômenos existentes em escalas cosmológicas.

Então, a teoria das cordas é uma das teorias chamadas de Teoria de Tudo. Tais teorias buscam uma teoria que explique desde a interação entre partículas fundamentais como os Quarks, Bósons e Férmions, até a interação entre estrelas, planetas, galáxias e etc.

O PORQUÊ DO NOME TEORIA DAS CORDAS E O PROBLEMA EXISTENTE

Este nome surge do fato de que esta teoria considera que o universo é composto de “microcordas”, ou seja, cordas infinitamente pequenas, e que oscilam em frequências diferentes, assim, a cada frequência temos um tipo de partícula diferente. Se uma corda vibra com alta frequência, então este deve representar uma partícula bastante energética, se uma outra vibra com baixa frequência, este tem pouca energia.

O problema da teoria das cordas é que ela ainda não foi testada, mas há grupos de físicos em Stanford, nos Estados Unidos, e no College London, no Reino Unido, que acreditam ter encontrado um experimento capaz de testar essa teoria e com isso poderemos ter a certeza de que estamos no caminho certo.

SOBRE A TEORIA DO BIG BANG

   Me senti bastante tentado a escrever esse material pelo fato de ouvir freqüentemente inúmeros  comentários errôneos sobre o assunto. Assim, venho esclarecer algumas coisas sobre esse assunto.

   Durante vários e vários séculos, desde a antiga Grécia para ser mais preciso, o homem vem buscando respostas para as seguintes perguntas: COMO TUDO COMEÇOU? DE ONDE VIEMOS?

   Coube a três físicos americanos Jeorge Gamow, Ralph Apher e Robert Herman, elaborar toda uma teoria que explicasse como o universo EVOLUIU durante os milhares de milhares de anos. Para isso eles usaram como grande motivação as observações do astrônomo Edwin Hubble. Hubble notou que alguns grandes conjuntos de estrelas estavas afastando-se aceleradamente, portanto este concluiu que o universo não era imutável, como achava Albert Einstein, e sim, estava em constante expansão e o que é mais extraordinário, em expansão acelerada. Então note que, embora seja apenas uma teoria, ela é bem fundamentada teoricamente e bastante sustentada por observações.

   Um dos fatos que sustentam bastante essa teoria foi o fato de que durante a formulação matemática da teoria, George Gamow pode prever matematicamente a seguinte hipótese:

Se o universo realmente começou com uma brusca expansão, seria possível, nos dias atuais, encontrar uma fria radiação permeando o universo e cuja temperatura está próximo dos 2 ou 3 Kelvin. Como uma espécie de som do Big Bang.

   Em 1960, os Radio-astrônomos americanos Arno Penzias e Robert Wilson, detectaram uma radiação cósmica de fundo com temperatura dentro da faixa de temperatura prevista por George Gamow, o que leva a crer que este não "fazia matemática de loucos".

   Esta teoria, embora nunca comprovada completamente, consegue explicar perfeitamente o surgimento de planetas, estrelas, aglomerados de estrelas e até mesmo as galáxias. Mas existe um pequeno detalhe, a teoria construiu um modelo em que o início deveria ter sido de forma que existiu, em algum lugar do cosmos, uma expansão muito violenta, como uma espécie de grande explosão (por este motivo chama-se A Teoria da Grande Explosão, em inglês, The Big Bang Theory).

   Mas pessoas leigas sobre o assunto em questão, afirmam que a teoria está errada pelo fato de não explicar de onde veio o chamado Átomo Primordial. Este átomo é hipoteticamente um pequeno corpo com densidade e temperatura inimagináveis que teria expandido rapidamente. Mas como mencionei anteriormente, esta é uma teoria que explica a EVOLUÇÃO DO UNIVERSO, e não DE ONDE VIEMOS. Esta ainda é uma questão em aberto na comunidade científica e que, na minha opinião, está próximo de ser respondido.

SOBRE O MODELO PADRÃO DA FÍSICA DE PARTÍCULAS

   Há vários séculos os físicos buscam compreender bem a natureza e tudo que nela existe e acontece. Com esse intuito buscam-se modelos teóricos que descrevam a natureza, mas esses modelos avançaram de forma que era possível descrever fenômenos que são humanamente impossível ver a olho “nu”. Isso ocorre com bastante frequência na Física das Partículas Elementares. Mas não falaremos sobre a construção de experimentos que possibilitam testar tais ideias, e sim, sobre as ideias.

   O Modelo Padrão é um modelo teórico que nos permite descrever como ocorrem as interações até entre as partículas mais elementares que o próprio próton. Na minha visão, atualmente o modelo padrão está 98% completo, pois todas as partículas por ela previstas já foram detectadas em aceleradores de partículas, com exceção do Bóson de Higgs (popularmente conhecida como Partícula de Deus). Atualmente físicos do LHC (Large Hádrons Collider, em português “Grande Colisor de Hádrons”) detectaram uma partícula que possui muitas das propriedades dessa partícula previstas pelo físico Petter Higgs, mas ainda não há a comprovação de que esta partícula se trata do Bóson de Higgs. 
   Há, na minha opinião, um pequeno problema com o Modelo Padrão consideradas por alguns físicos. Alguns físicos consideram que o modelo padrão descreve todos os tipos de interação entre partículas, interação elétrica, nuclear forte, nuclear fraca e gravitacional, porém, outros consideram que este descreve todos os tipos de interação com exceção da interação gravitacional.

   Creio que um dos grandes motivos deste “desprezo” com relação à força gravitacional se dá pelo fato de que o mediador da força gravitacional, o Gráviton, ainda não foi detectado em nenhum dos experimentos realizados pelo LHC. O que causa um desconforto considerável a muitos físicos, pois sem a comprovação da existência desta partícula, este modelo não é bom o suficiente para descrever todas as interações existentes na natureza.

O QUE É O BÓSON DE HIGGS?

   Se existe, atualmente, um assunto de bastante interesse entre físicos, esse assunto é sobre o Bóson de Higgs, conhecida como a “Partícula de Deus” (não usarei mais esse termo). Agora irei falar um pouco sobre o que é o Bóson de Higgs e sua importância para a Física de Partículas e para o Modelo Padrão.

   Primeiramente é bom saber o que é um Bóson. Os Bósons são partículas que surgiram para explicar as interações que ocorrem à distância, por exemplo, a interação Eletromagnética, a Gravitacional, a Forte e a Fraca. Assim, os Bósons da interação Eletromagnética são os fótons, da Gravitacional são os grávitons (ainda não detectados), da Forte são os glúons, e da interação fraca são as partículas W e Z. Mas tem uma assimetria entre os bósons, pois dentre essas partículas mediadoras, apenas as partículas W e Z possuem massa. Então por que os Fótons, os grávitons e os Glúons não têm?

   Então entra em cena o Bóson de Higgs. Na década de 80, Peter Higgs (imagem à direita) sugeriu a existência de um campo, chamado Campo de Higgs, que permeava o universo e que poderia interagir com outras partículas por meio das partículas mediadoras chamadas de Bóson de Higgs. Assim, sugeriu que a “massa aparente” das partículas W e Z são “dadas” as mesmas pela intensa interação com o campo de Higgs.

   Este modelo tem dado certo para explicar o fato de as partículas mediadoras W e Z possuírem massa e os fótons, grávitons e glúons não possuírem massa. Mas ainda há um problema, na teoria a partícula existe, mas será que ela existe no Universo? Será que estamos mesmos mergulhados no chamado Campo de Higgs?

   Os cientistas do LHC (Large Hádrons Colider) estão bastante entusiasmados pelo fato de terem detectado uma partícula que parece ser o Bóson de Higgs. Mas só saberemos se a dita cuja realmente é a partícula procurada depois de alguns testes que serão realizados pelos cientistas do LHC.

FALANDO UM POUCO SOBRE O MUNDO SUBATÔMICO

   Falar sobre o mundo subatômico é algo muito prazeroso para muitos físicos e químicos. Não somente pelo maravilhoso mistério do comportamento dual do elétron, mas também pelo universo de partículas que existem além do próton, neutros e dos elétrons. 

   Em química e física no ensino médio é comum dizer que os elétrons, nêutrons e prótons são partículas fundamentais da natureza, ou seja, não são compostas por nenhuma outra coisa. Mas a coisa não é assim! 

   Existe uma classe de partículas chamadas Quarks, que quando combinadas formam os hádrons. Partículas formadas por três Quarks ou três anti-quarks (Bárions) e partículas formadas por um Quark e um anti-quark (Mésons). Ao todo existem 6 tipos de Quarks: o Quark Up, Down, Estrange, Bottom, Charmed e Top. O próton, por exemplo, é formado por dois Quarks Up e um Down, e o nêutron é formado por dois Down e u Up. 

   O elétron por sua vez é o mais “fodão”, ele é realmente uma partícula elementar, ou seja, não tem estrutura interna. Ela faz parte do conjunto de partículas chamadas de Léptons. Outras partículas desse grupo são: Neutrino do elétron, Múon, Neutrino do Múon, Tau e Neutrino do Tau. Então vemos que o universo subatômico não se limita ao conhecimento do elétrons, próton e nêutron, existem mais coisas por trás. 

   Para os interessados sobre o assunto, recomendo uma pesquisa sobre O modelo Padrão da Física das Partículas Elementares.

BONS ESTUDOS!!!

NOVOS TEMAS NO BLOG "A BAGACEIRA", COM ALAN COSTA

Devido ao crescimento no número de acessos, estou diversificando gradativamente o escopo temático deste blog, passando a abranger a área de Ciência e Tecnologia. Para abordar este tema convido "nepotismicamente" meu amigo Alan Costa dos Santos, reconhecidamente um jovem prodígio na área da Física. Tendo atuado em alguns cursinhos pré-vestibulares e ministrado algumas palestras, Alan vem a ser o complemento temático que eu sempre tive vontade de abordar, mas não possuo conhecimento para tal tarefa. Então, fecha-se por enquanto o ciclo temático do nosso blog.