O emaranhamento quântico é um fenômeno no qual os estados quânticos de dois ou mais objetos se correlacionam, o que significa que o estado de um objeto pode afetar o estado do(s) outro(s) mesmo que os objetos estejam separados por grandes distâncias. Isso ocorre porque, de acordo com a teoria quântica, as partículas podem existir em vários estados ao mesmo tempo (conceito conhecido como superposição) e podem estar inextricavelmente ligadas, ou “emaranhadas”, mesmo que estejam fisicamente separadas.
Três pesquisadores receberam o Prêmio Nobel de Física de 2022 por seu trabalho inovador na compreensão do emaranhamento quântico, um dos fenômenos mais intrigantes da natureza.
O emaranhamento quântico, nos termos mais simples, significa que os aspectos de uma partícula de um par emaranhado dependem dos aspectos da outra partícula, não importa quão distantes estejam ou o que esteja entre eles. Essas partículas podem ser, por exemplo, elétrons ou fótons, e um aspecto pode ser o estado em que se encontra, como se está “girando” em uma direção ou outra.
A parte estranha do emaranhamento quântico é que quando você mede algo sobre uma partícula em um par emaranhado, você imediatamente sabe algo sobre a outra partícula, mesmo que estejam separadas por milhões de anos-luz. Essa estranha conexão entre as duas partículas é instantânea, aparentemente quebrando uma lei fundamental do universo. É por isso que Albert Einstein chamou o fenômeno de “ação assustadora à distância”.
Tendo passado a maior parte de duas décadas conduzindo experimentos baseados na mecânica quântica, acabei aceitando sua estranheza. Graças a instrumentos cada vez mais precisos e confiáveis e ao trabalho dos ganhadores do Nobel deste ano, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, os físicos agora integram fenômenos quânticos em seu conhecimento do mundo com um grau excepcional de certeza.
No entanto, mesmo até a década de 1970, os pesquisadores ainda estavam divididos sobre se o emaranhamento quântico era um fenômeno real. E por boas razões – quem ousaria contradizer o grande Einstein, que ele próprio duvidava? Foi necessário o desenvolvimento de uma nova tecnologia experimental e pesquisadores ousados para finalmente esclarecer esse mistério.
Existente em vários estados ao mesmo tempo
Para entender verdadeiramente o aspecto assustador do emaranhamento quântico, é importante primeiro entender a superposição quântica. A superposição quântica é a ideia de que as partículas existem em vários estados ao mesmo tempo. Quando uma medição é realizada, é como se a partícula selecionasse um dos estados na superposição.
Por exemplo, muitas partículas têm um atributo chamado spin que é medido como “para cima” ou “para baixo” para uma determinada orientação do analisador. Mas até você medir o spin de uma partícula, ela existe simultaneamente em uma superposição de spin para cima e spin para baixo.
Existe uma probabilidade associada a cada estado e é possível prever o resultado médio de muitas medições. A probabilidade de uma única medição ser alta ou baixa depende dessas probabilidades, mas é imprevisível.
Embora muito estranho, a matemática e um grande número de experimentos mostraram que a mecânica quântica descreve corretamente a realidade física.
Duas partículas emaranhadas
O fantasmagórico do emaranhamento quântico emerge da realidade da superposição quântica e ficou claro para os fundadores da mecânica quântica que desenvolveram a teoria nas décadas de 1920 e 1930.
Para criar partículas emaranhadas, você basicamente divide um sistema em dois, onde a soma das partes é conhecida. Por exemplo, você pode dividir uma partícula com spin zero em duas partículas que necessariamente terão spins opostos de modo que sua soma seja zero.
Em 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen publicaram um artigo que descreve um experimento mental projetado para ilustrar um aparente absurdo do emaranhamento quântico que desafiou uma lei fundamental do universo.
Uma versão simplificada desse experimento mental, atribuída a David Bohm, considera o decaimento de uma partícula chamada méson pi. Quando esta partícula decai, ela produz um elétron e um pósitron que têm spin oposto e estão se afastando um do outro. Portanto, se o spin do elétron for medido para cima, então o spin medido do pósitron só poderia ser para baixo e vice-versa. Isso é verdade mesmo que as partículas estejam separadas por bilhões de quilômetros.
Isso seria bom se a medição do spin do elétron fosse sempre para cima e a medição do spin do pósitron fosse sempre para baixo. Mas, por causa da mecânica quântica, o giro de cada partícula é tanto para cima quanto para baixo até que seja medido. Somente quando a medição ocorre é que o estado quântico do spin “colapsa” para cima ou para baixo – colapsando instantaneamente a outra partícula no spin oposto. Isso parece sugerir que as partículas se comunicam entre si por algum meio que se move mais rápido que a velocidade da luz. Mas de acordo com as leis da física, nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Certamente o estado medido de uma partícula não pode determinar instantaneamente o estado de outra partícula no outro extremo do universo?
Físicos, incluindo Einstein, propuseram várias interpretações alternativas do emaranhamento quântico na década de 1930. Eles teorizaram que havia alguma propriedade desconhecida – apelidada de variáveis ocultas – que determinava o estado de uma partícula antes da medição. Mas, na época, os físicos não tinham a tecnologia nem a definição de uma medição clara que pudesse testar se a teoria quântica precisava ser modificada para incluir variáveis ocultas.
Refutando uma teoria
Demorou até a década de 1960 antes que houvesse alguma pista para uma resposta. John Bell, um brilhante físico irlandês que não viveu para receber o Prêmio Nobel, elaborou um esquema para testar se a noção de variáveis ocultas fazia sentido.
Bell produziu uma equação agora conhecida como desigualdade de Bell que é sempre correta – e apenas correta – para teorias de variáveis ocultas, e nem sempre para a mecânica quântica. Assim, se a equação de Bell não for satisfeita em um experimento do mundo real, as teorias de variáveis ocultas locais podem ser descartadas como uma explicação para o emaranhamento quântico.
Os experimentos dos ganhadores do Prêmio Nobel de 2022, particularmente os de Alain Aspect, foram os primeiros testes da desigualdade de Bell. Os experimentos usaram fótons emaranhados, em vez de pares de um elétron e um pósitron, como em muitos experimentos mentais. Os resultados descartaram conclusivamente a existência de variáveis ocultas, um atributo misterioso que predeterminaria os estados das partículas emaranhadas. Coletivamente, esses e muitos experimentos subsequentes justificaram a mecânica quântica. Os objetos podem ser correlacionados em grandes distâncias de maneiras que a física antes da mecânica quântica não pode explicar.
É importante ressaltar que também não há conflito com a relatividade especial, que proíbe a comunicação mais rápida que a luz. O fato de as medições em grandes distâncias serem correlacionadas não implica que a informação seja transmitida entre as partículas. Duas partes distantes realizando medições em partículas emaranhadas não podem usar o fenômeno para transmitir informações mais rapidamente do que a velocidade da luz.
Hoje, os físicos continuam pesquisando o emaranhamento quântico e investigando possíveis aplicações práticas. Embora a mecânica quântica possa prever a probabilidade de uma medição com incrível precisão, muitos pesquisadores permanecem céticos de que ela forneça uma descrição completa da realidade. Uma coisa é certa, embora. Ainda há muito a ser dito sobre o misterioso mundo da mecânica quântica.
Publicado em 25/12/2022 10h06
Artigo original: