Mesmo que você não seja um físico quântico, provavelmente já ouviu falar do famoso gato de Schrödinger. Erwin Schrödinger criou o felino que pode estar vivo e morto ao mesmo tempo em um experimento mental em 1935. A contradição óbvia - afinal, na vida cotidiana só vemos gatos vivos ou mortos - levou os cientistas a tentar realizar situações análogas no laboratório. Até agora, eles conseguiram fazer isso usando, por exemplo, átomos ou moléculas em estados de superposição quântica de estar em dois lugares ao mesmo tempo.

No ETH, uma equipe de pesquisadores liderada por Yiwen Chu, professor do Laboratório de Física do Estado Sólido, criou agora um gato de Schrödinger substancialmente mais pesado colocando um pequeno cristal em uma superposição de dois estados de oscilação. Seus resultados, que foram publicados esta semana na revista Science , podem levar a bits quânticos mais robustos e lançar luz sobre o mistério de por que as superposições quânticas não são observadas no mundo macroscópico.

No experimento mental original de Schrödinger original de Schrödinger , um gato é trancado dentro de uma caixa de metal junto com uma substância radioativa, um contador Geiger e um frasco de veneno. Em um determinado período de tempo - uma hora, digamos - um átomo na substância pode ou não decair através de um processo mecânico quântico com certa probabilidade, e os produtos de decaimento podem fazer com que o contador Geiger dispare e acione um mecanismo que quebra o frasco contendo o veneno, que acabaria por matar o gato.

Como um observador externo não pode saber se um átomo realmente decaiu, ele também não sabe se o gato está vivo ou morto - de acordo com a mecânica quântica , que governa o decaimento do átomo, ele deve estar em um estado vivo/morto estado de superposição. (A ideia de Schrödinger é comemorada por uma figura de gato em tamanho real do lado de fora de sua antiga casa na Huttenstrasse 9 em Zurique).

"Claro, no laboratório não podemos realizar tal experimento com um gato real pesando vários quilos", diz Chu. Em vez disso, ela e seus colegas de trabalho conseguiram criar o chamado estado do gato usando um cristal oscilante, que representa o gato, com um circuito supercondutor que representa o átomo original. Esse circuito é essencialmente um bit quântico ou qubit que pode assumir os estados lógicos "0" ou "1" ou uma superposição de ambos os estados, "0+1".

A ligação entre o qubit e o cristal "gato" não é um contador Geiger e veneno, mas sim uma camada de material piezoelétrico que cria um campo elétrico quando o cristal muda de forma enquanto oscila. Esse campo elétrico pode ser acoplado ao campo elétrico do qubit e, portanto, o estado de superposição do qubit pode ser transferido para o cristal.

Como resultado, o cristal agora pode oscilar em duas direções ao mesmo tempo – para cima/para baixo e para baixo/para cima, por exemplo. Essas duas direções representam os estados "vivo" ou "morto" do gato. "Ao colocar os dois estados de oscilação do cristal em uma superposição, criamos efetivamente um gato de Schrödinger pesando 16 microgramas", explica Chu. Isso é aproximadamente a massa de um grão fino de areia e nem de longe a de um gato, mas ainda vários bilhões de vezes mais pesado que um átomo ou molécula, tornando-o o gato quântico mais gordo até hoje.

Para que os estados de oscilação sejam verdadeiros estados cat, é importante que sejam distinguíveis macroscopicamente. Isso significa que a separação dos estados "para cima" e "para baixo" deve ser maior do que quaisquer flutuações térmicas ou quânticas das posições dos átomos dentro do cristal. Chu e seus colegas verificaram isso medindo a separação espacial dos dois estados usando o qubit supercondutor. Embora a separação medida fosse apenas um bilionésimo de um bilionésimo de metro - menor que um átomo, na verdade - era grande o suficiente para distinguir claramente os estados.

No futuro, Chu gostaria de aumentar ainda mais os limites de massa de seus gatos de cristal. “Isso é interessante porque nos permitirá entender melhor a razão por trás do desaparecimento dos efeitos quânticos no mundo macroscópico dos gatos reais”, diz ela.

Além desse interesse bastante acadêmico, também existem aplicações potenciais em tecnologias quânticas. Por exemplo, as informações quânticas armazenadas em qubits podem se tornar mais robustas usando estados cat compostos por um grande número de átomos em um cristal, em vez de depender de átomos ou íons individuais, como é feito atualmente. Além disso, a extrema sensibilidade de objetos maciços em estados de superposição ao ruído externo pode ser explorada para medições precisas de pequenos distúrbios, como ondas gravitacionais ou para detectar matéria escura.