Superposição sem mitos
Aula 2 de 23 do curso “Quântica”. Grátis, com animações e teste.
A moeda: bom começo, mas não tudo
A superposição costuma ser explicada com uma moeda: enquanto gira no ar, ela é “cara e coroa ao mesmo tempo”. Como primeira imagem, tudo bem. Mas o resultado da moeda já está decidido: o lançamento e o ar definem o voo, só não sabemos a resposta. Uma partícula quântica não tem resposta nenhuma antes da medição. Ela tem um conjunto de amplitudes, já explicamos. Parece jogo de palavras, mas dá para testar a diferença num experimento. Veja qual.
Amplitudes: chances com sinal
Cada resultado possível tem uma amplitude. A chance de vê-lo é a amplitude ao quadrado. Exemplo: amplitude 0,7, chance 0,7 × 0,7 ≈ 0,5, ou seja, 50%. A grande diferença das chances comuns: a amplitude pode ser negativa. Chances de moedas só somam: 25% e 25% nunca dão zero. Mas amplitudes de +0,5 e −0,5 se anulam e dão zero. Esse truque se chama interferência, e toda a mágica quântica depende dele.
Experimento: um espelho semitransparente
Um espelho semitransparente deixa passar metade da luz e reflete a outra metade. Mandamos fótons estritamente um por vez. Atrás dele ficam dois detectores, A e B. Um fóton nunca se divide ao meio: a cada vez clica exatamente um detector, e não dá para adivinhar qual. Depois de mil fótons, A e B têm mais ou menos o mesmo, 50% cada. Até aqui, igual a uma moeda honesta. Guarde essa imagem, porque vamos quebrá-la.
O segundo espelho quebra a moeda
Agora juntamos os dois caminhos num segundo espelho semitransparente. A lógica da moeda diz: em cada espelho de novo 50/50, então A e B ficam com 50% cada. No experimento real só A clica, 100% das vezes. B fica calado. Por quê: em B chegam duas amplitudes com sinais opostos e se anulam, e em A elas se somam. Isso foi testado com fótons individuais lá em 1986 na França, no grupo de Alain Aspect. Uma moeda não faz isso.
Espiou: a mágica sumiu
Colocamos num dos caminhos um detector que registra se o fóton passou por ali. Pronto: volta o 50/50, clicam A e B. Assim que existe em algum lugar do mundo informação sobre o caminho do fóton, as amplitudes param de se anular. A superposição vive só enquanto ninguém e nada conhece o caminho. É uma regra-chave para os qubits: qualquer vazamento de informação para fora quebra o cálculo. Por isso eles são escondidos do mundo com tanto cuidado.
Elétrons um por vez
1989, um laboratório da Hitachi no Japão. Akira Tonomura dispara elétrons um por vez por uma “fenda dupla”. Cada elétron deixa um ponto na tela num lugar aleatório. Depois de uma dúzia, parece caos. Depois de milhares, os pontos formam faixas, como se ondas de duas fendas se sobrepusessem. Mas os elétrons passaram um a um. Ou seja, cada um interferiu consigo mesmo. Esse vídeo ainda é mostrado em aulas no mundo todo.
Mito: “dois clones ao mesmo tempo”
É comum ler que uma partícula em superposição está em dois lugares ao mesmo tempo. Soa incrível, mas engana. Ninguém nunca pegou duas cópias: na medição, a partícula está sempre num lugar só. Mais preciso: antes da medição, a partícula não tem lugar definido, e cada lugar possível tem sua própria amplitude. Um computador quântico trabalha justamente com essas amplitudes: ele faz as respostas erradas se anularem.
Teste-se
- O que os detectores vão mostrar se você puser um “espião” num caminho?
Resposta certa: Mais ou menos 50% em A e 50% em B. O detector cria informação sobre o caminho. Com ela, as amplitudes não se anulam mais, e o experimento vira uma moeda honesta. - Duas amplitudes chegam ao detector B: +0,5 e −0,5. Qual a chance de B clicar?
Resposta certa: 0%. Primeiro some as amplitudes: +0,5 + (−0,5) = 0. Depois eleve ao quadrado: 0² = 0. Chance zero, B fica calado. - Qual explicação da superposição é mais precisa?
Resposta certa: Ainda não há lugar, cada opção tem sua amplitude. Antes da medição não há lugar definido. Há amplitudes que podem se somar ou se anular. Ao medir, você sempre obtém um lugar.