La superposição quântica É um conceito que está sendo ouvido cada vez mais. Essa propriedade da natureza está sendo usada nas sementes dos computadores quânticos, no teletransporte quântico e na internet quântica. No entanto, há muitas pessoas que não conhecem bem a superposição quântica e isso lhes parece chinês.
Neste artigo vamos contar o que é a superposição quântica, suas características e importância.
O que é superposição quântica
A superposição quântica é um princípio fundamental da mecânica quântica que expressa a existência simultânea de um sistema físico, como um elétron, em todos os seus estados teóricos possíveis. Quando observado, ele só pode “colapsar” em uma dessas configurações. Esse “congelamento” é aleatório, mas se baseia nas leis da probabilidade.
Uma forma de entender a superposição quântica, pelo menos de forma simplificada, é pensar que uma partícula pode estar em dois estados excitados ao mesmo tempo, mas uma vez observada revela apenas um deles. Assim, a superposição é amplamente utilizada na computação quântica. Um “qubit” ou qubit pode assumir os valores 0 e 1; ao contrário de um bit, um bit deve ser 0 ou 1.
Este estado de superposição quântica é o resultado de uma proposta teórica do duque francês Louis de Broglie, que propôs em 1924 que os elétrons não são partículas, mas ondas. Ou seja, os elétrons não são “bolas” de matéria com interações clássicas (como as colisões entre bolas de bilhar), mas sim ondas que viajam pelo espaço. Isso é real.
Superposição quântica de elétrons
Se imaginarmos os elétrons como “bolas”, a soma de um mais o outro nos dá uma falsa ideia de como a matéria se comporta porque os imaginamos empilhados como bolas. Alguns estão acima, alguns estão abaixo e alguns estão nas laterais. Contudo, a matéria não funciona assim no nível quântico, apenas no nível macroscópico. Isso é nosso.
O fenômeno da superposição quântica é mais fácil de entender, pois a visão de que a matéria se comporta como ondas. Ao contrário da matéria, as ondas podem se sobrepor. No nível quântico, a matéria se comporta como ondas, e algo interessante acontece: a matéria pode “se somar” uma à outra.
Uma analogia interessante pode ser observada na natureza. A imagem a seguir mostra as ondulações deixadas pelas gotas de água na superfície da água. É uma onda circular que se propaga ao longo de uma superfície. Qualquer pessoa que já tenha jogado uma pedra em um lago sabe disso. Em princípio, cada onda é independente.
No entanto, a superposição de ondas ocorre sempre que duas ondas coincidem. Ou seja, adicione ou subtraia suas magnitudes. Quando as duas cristas se encontram, a água sobe muito. Onde existem dois vales, vemos depressões. Se os picos coincidirem com os vales, a soma das ondas resultará em cancelamento.
Ondas e superposição quântica
Se os elétrons são ondas se movendo pelo espaço, suas ondas podem fazer coisas semelhantes ao que aparece na água. O fenômeno é muito mais complicado, mas aqui está uma maneira de simplificá-lo. Mas a questão que preocupa muitos é: onde estão os elétrons?
De acordo com as leis da mecânica quântica, a superposição quântica pode ocorrer até que as partículas sejam observadas. Então a função de onda (aquela que descreve a probabilidade de uma partícula ter um estado ou outro, que é como representamos sistemas de partículas) entra em colapso ou é definida como uma função de onda mais específica.
Embora não seja totalmente correto, a seguinte analogia pode ser usada. Um balão de hélio flutua em um quarto escuro. Primeiro, é impossível saber exatamente onde o balão está porque existem fluxos de ar muito complicados que movem o balão de um lado para o outro. É possível determinar a probabilidade de o balão estar localizado em um lugar ou outro. Esta é a sua função de onda.
Como você sabe onde está agora? Como fazer a função de onda “colapsar”? Um experimento que pode ser feito é lançar dardos. Se o dardo for onde o balão não está, não ouviremos nenhum som. Porém, se o dardo atravessar o balão, ouviremos uma explosão. A conclusão é: o balão determinará sua posição independentemente de o dardo acertá-lo ou não. Ou seja, ele irá “entrar em colapso” no sentido físico e revelar onde está.
Embora não seja uma analogia perfeita, o exemplo do balão ajuda a entender como os elétrons podem ser distribuídos em uma determinada região do espaço ao mesmo tempo, e como somente quando você olha para ele você pode dizer o que é.
Utilidade hoje
Se esta propriedade é tão interessante é porque poderia ser usada para construir computadores quânticos. Em 2016, uma equipe de pesquisadores aproveitou as propriedades quânticas da matéria, incluindo estados de superposição, para permitir a transmissão de informações a longa distância.
Em 2017, outra equipe teletransportou com sucesso um estado quântico entre dois nós conectados. Em 2022, um grupo de pesquisadores conseguiu teletransportar um estado quântico entre dois nós desconectados graças ao fato dos nós de Alice, Bob e Charlie estarem conectados um por um. Através destas experiências, é possível construir uma Internet mais confiável
Atualmente, os cientistas estão explorando maneiras de aproveitar esta propriedade para resolver problemas que seriam muito difíceis ou mesmo impossíveis de resolver com computadores clássicos. Num computador quântico, os bits clássicos (0 ou 1) são substituídos por qubits, que eles podem estar sobrepostos, o que significa que podem representar 0 e 1 ao mesmo tempo. Isto permite que o computador quântico explore múltiplas soluções simultaneamente, resultando num enorme potencial para resolver problemas complexos em áreas como criptografia, simulação de materiais e otimização.
Outra aplicação intrigante é a comunicação quântica segura. Devido à propriedade de superposição quântica, qualquer tentativa de interferir nas informações transmitidas é imediatamente detectada, o que poderia levar a sistemas de comunicação praticamente impenetráveis e garantir a privacidade das informações.
Espero que com essas informações você possa aprender mais sobre a superposição quântica, suas características e utilidade.