Medição e emaranhamento têm um sabor não local “assustador”. Agora os físicos estão aproveitando essa não-localidade para sondar a propagação da informação quântica e controlá-la.
Einstein tinha feito as contas e sabia que o universo devia ser local, o que significa que nenhum evento num local poderia afetar instantaneamente um local distante. Mas Schrödinger tinha feito as suas próprias contas e sabia que no cerne da mecânica quântica havia uma estranha ligação que ele apelidou de “emaranhamento”, que parecia atingir a suposição de localidade de Einstein.
Quando duas partículas ficam emaranhadas, o que pode acontecer quando colidem, seus destinos ficam ligados. Meça a orientação de uma partícula, por exemplo, e você poderá descobrir que seu parceiro emaranhado (se e quando for medido) aponta na direção oposta, independentemente de sua localização. Assim, uma medição em Pequim poderia parecer afectar instantaneamente uma experiência em Brooklyn, aparentemente violando o decreto de Einstein de que nenhuma influência pode viajar mais rápido que a luz.
Einstein não gostou do alcance do emaranhamento (ao qual mais tarde se referiria como “assustador”) e criticou a então nascente teoria da mecânica quântica como necessariamente incompleta. Schrödinger, por sua vez, defendeu a teoria, que ajudou a criar. Mas ele simpatizava com a aversão de Einstein pelo emaranhamento. Ele admitiu que a maneira como aparentemente permitiu que um experimentador “dirigisse” um experimento que de outra forma seria inacessível era “bastante desconfortável“.
Desde então, os físicos eliminaram em grande parte esse desconforto. Eles agora compreendem o que Einstein, e talvez o próprio Schrödinger, tinham ignorado – que o emaranhado não tem influência remota. Não tem poder para produzir um resultado específico à distância; ele pode distribuir apenas o conhecimento desse resultado. Experimentos de emaranhamento, como os que ganharam o Prêmio Nobel de 2022, tornaram-se rotina.
Ao longo dos últimos anos, uma enxurrada de pesquisas teóricas e experimentais descobriu uma estranha nova face do fenômeno – uma face que se mostra não em pares, mas em constelações de partículas. O emaranhamento se espalha naturalmente por um grupo de partículas, estabelecendo uma intrincada rede de contingências. Mas se você medir as partículas com frequência suficiente, destruindo o emaranhado no processo, poderá impedir a formação da teia. Em 2018, três grupos de teóricos mostraram que estes dois estados – teia ou não teia – são uma reminiscência de estados familiares da matéria, como líquido e sólido. Mas em vez de marcar uma transição entre diferentes estruturas da matéria, a mudança entre rede e não rede indica uma mudança na estrutura da informação.
“Esta é uma transição de fase na informação”, disse Brian Skinner, da Ohio State University, um dos físicos que primeiro identificou o fenômeno. “É onde as propriedades da informação – como a informação é compartilhada entre as coisas – sofrem uma mudança muito abrupta.”
Mais recentemente, um trio separado de equipes tentou observar essa transição de fase em ação. Eles realizaram uma série de meta-experimentos para medir como as próprias medições afetam o fluxo de informações. Nestes experimentos, eles usaram computadores quânticos para confirmar que um equilíbrio delicado entre os efeitos concorrentes do emaranhamento e da medição pode ser alcançado. A descoberta da transição lançou uma onda de pesquisas sobre o que poderia ser possível quando o emaranhamento e a medição colidem.
O emaranhamento “pode ter muitas propriedades diferentes, muito além do que jamais imaginamos”, disse Jedediah Pixley, teórico da matéria condensada da Universidade Rutgers que estudou variações da transição.
Uma sobremesa emaranhada
Uma das colaborações que tropeçaram na transição do emaranhamento nasceu durante um pudim de caramelo em um restaurante em Oxford, Inglaterra. Em abril de 2018, Skinner estava visitando seu amigo Adam Nahum, físico agora na École Normale Supérieure de Paris. Ao longo de uma longa conversa, eles se viram debatendo uma questão fundamental sobre entrelaçamento e informação.
Primeiro, um pouco de retrocesso. Para entender o que o emaranhamento tem a ver com a informação, imagine um par de partículas, A e B, cada uma com um spin que pode ser medido apontando para cima ou para baixo. Cada partícula começa em uma superposição quântica de cima para baixo, o que significa que uma medição produz um resultado aleatório – para cima ou para baixo. Se as partículas não estiverem emaranhadas, medi-las é como jogar duas moedas: tirar cara de uma não diz nada sobre o que acontecerá com a outra.
Mas se as partículas estiverem emaranhadas, os dois resultados estarão relacionados. Se você encontrar B apontando para cima, por exemplo, uma medição de A o encontrará apontando para baixo. A dupla partilha uma “oposição” que não reside em nenhum dos membros, mas entre eles – um cheiro de não-localidade que enervou Einstein e Schrödinger. Uma consequência desta oposição é que medindo apenas uma partícula você aprende sobre a outra. “Medir B primeiro me deu algumas informações sobre A”, disse Skinner. “Isso reduz minha ignorância sobre o estado de A.”
Não há maneira de deixar um físico mais feliz do que mostrar que um problema que parece difícil é na verdade equivalente a um problema que você já sabe como resolver.
O quanto uma medida de B reduz sua ignorância sobre A é chamado de entropia de emaranhamento e, como qualquer tipo de informação, é contado em bits. A entropia de emaranhamento é a principal forma pela qual os físicos quantificam o emaranhamento entre dois objetos ou, equivalentemente, quanta informação sobre um é armazenada de forma não local no outro. Entropia sem emaranhamento significa sem emaranhamento; medir B não revela nada sobre A. Alta entropia de emaranhamento significa muito emaranhamento; medir B ensina muito sobre A.
Durante a sobremesa, Skinner e Nahum levaram esse pensamento dois passos adiante. Eles primeiro estenderam o par de partículas em uma cadeia tão longa quanto se pudesse imaginar. Eles sabiam que, de acordo com a equação homônima de Schrödinger, o análogo da mecânica quântica de F = ma, o emaranhamento saltaria de uma partícula para outra como uma gripe. Eles também sabiam que poderiam calcular até que ponto o emaranhamento havia ocorrido da mesma maneira: rotule uma metade da cadeia como A e a outra metade como B; se a entropia do emaranhamento for alta, então as duas metades estão altamente emaranhadas. Medir metade dos giros lhe dará uma boa ideia do que esperar ao medir a outra metade.
Em seguida, eles moveram a medição do final do processo – quando a cadeia de partículas já havia atingido um estado quântico específico – para o meio da ação, enquanto o emaranhamento se espalhava. Fazer isso criou um conflito porque a medição é o inimigo mortal do emaranhamento. Se não for alterado, o estado quântico de um grupo de partículas reflete todas as combinações possíveis de altos e baixos que você pode obter ao medir essas partículas. Mas a medição colapsa um estado quântico e destrói qualquer emaranhado que ele contenha. Você consegue o que consegue e quaisquer possibilidades alternativas desaparecem.
Nahum fez a seguinte pergunta a Skinner: E se, enquanto o emaranhamento estivesse se espalhando, você medisse alguns giros aqui e ali? Medir todos eles constantemente eliminaria todo o emaranhado de uma forma enfadonha. Mas se você medisse esporadicamente apenas alguns giros, qual fenômeno sairia vitorioso? Emaranhamento ou medição?
Skinner, improvisando, argumentou que a medição acabaria com o emaranhamento. O emaranhamento se espalha letargicamente de vizinho para vizinho, de modo que cresce no máximo algumas partículas por vez. Mas uma rodada de medição poderia atingir muitas partículas ao longo da longa cadeia simultaneamente, eliminando o emaranhamento em vários locais. Se tivessem considerado o cenário estranho, muitos físicos provavelmente teriam concordado que o emaranhamento não seria páreo para medição.
“Havia uma espécie de folclore”, disse Ehud Altman, físico de matéria condensada da Universidade da Califórnia, Berkeley, de que “estados que estão muito emaranhados são muito frágeis”.
Mas Nahum, que vinha refletindo sobre essa questão desde o ano anterior, acreditava no contrário. Ele imaginou a corrente estendendo-se para o futuro, momento a momento, para formar uma espécie de cerca de arame. Os nós eram as partículas, e as conexões entre eles representavam elos através dos quais o emaranhamento poderia se formar. As medições cortaram links em locais aleatórios. Corte links suficientes e a cerca desmorona. O emaranhado não pode se espalhar. Mas até esse ponto, argumentou Nahum, mesmo uma cerca um tanto esfarrapada deveria permitir que o emaranhamento se espalhasse por toda parte.
Nahum conseguiu transformar um problema sobre uma ocorrência quântica efêmera em uma questão concreta sobre uma cerca de arame. Esse era um problema bem estudado em certos círculos – a “rede de resistores vandalizada” – e um problema que Skinner havia estudado em sua primeira aula de graduação em física, quando seu professor o apresentou durante uma digressão.
“Foi quando fiquei muito animado”, disse Skinner. “Não há maneira de deixar um físico mais feliz do que mostrar que um problema que parece difícil é na verdade equivalente a um problema que você já sabe como resolver.”
Emaranhamento de rastreamento
Mas a brincadeira sobre sobremesas era apenas isso: brincadeira. Para testar e desenvolver rigorosamente estas ideias, Skinner e Nahum uniram forças com um terceiro colaborador, Jonathan Ruhman, da Universidade Bar-Ilan, em Israel. A equipe simulou digitalmente os efeitos do corte de elos em diferentes velocidades em cercas de arame. Eles então compararam essas simulações de redes clássicas com simulações mais precisas, porém mais desafiadoras, de partículas quânticas reais para garantir que a analogia fosse mantida. Eles estavam fazendo progressos lentos, mas constantes.
Depois, no verão de 2018, aprenderam que não eram o único grupo a pensar em medições e emaranhamento.
Matthew Fisher, um proeminente físico da matéria condensada da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, questionava-se se o emaranhado entre as moléculas no cérebro poderia desempenhar um papel na forma como pensamos. No modelo que ele e os seus colaboradores estavam a desenvolver, certas moléculas ocasionalmente ligam-se entre si de uma forma que funciona como uma medida e elimina o emaranhamento. Então as moléculas ligadas mudam de forma de uma forma que pode criar emaranhamento. Fisher precisava saber se o emaranhamento poderia prosperar sob a pressão de medições intermitentes – a mesma questão que Nahum vinha considerando.
“Era novo”, disse Fisher. “Ninguém tinha olhado para isso antes de 2018.”
Numa demonstração de cooperação académica, os dois grupos coordenaram as suas publicações de investigação entre si e com uma terceira equipe que estudava o mesmo problema, liderada por Graeme Smith, da Universidade do Colorado, Boulder.
“Todos nós trabalhamos em paralelo para publicar nossos artigos ao mesmo tempo”, disse Skinner.
Em agosto daquele ano, todos os três grupos divulgaram seus resultados. A equipe de Smith estava inicialmente em desacordo com as outras duas, que apoiavam o raciocínio inspirado na cerca de Nahum: no início, o emaranhamento ultrapassou taxas modestas de medição para se espalhar por uma cadeia de partículas, produzindo alta entropia de emaranhamento. Então, à medida que os pesquisadores aumentassem as medições além de uma taxa “crítica”, o emaranhamento seria interrompido – a entropia do emaranhamento cairia.
A transição parecia existir, mas não estava totalmente claro para todos onde o argumento intuitivo – de que o emaranhamento de vizinho para vizinho deveria ser eliminado pelos relâmpagos generalizados de medição – tinha dado errado.
Nos meses seguintes, Altman e seus colaboradores em Berkeley encontraram uma falha sutil no raciocínio. “Isso não leva em consideração [a disseminação de] informações”, disse Altman.
O grupo de Altman destacou que nem todas as medições são altamente informativas e, portanto, altamente eficazes na destruição do emaranhamento. Isso ocorre porque as interações aleatórias entre as partículas da cadeia fazem mais do que apenas emaranhar. Eles também complicam imensamente o estado da cadeia com o passar do tempo, espalhando efetivamente suas informações “como uma nuvem”, disse Altman. Eventualmente, cada partícula conhece toda a cadeia, mas a quantidade de informação que possui é minúscula. E assim, disse ele, “a quantidade de emaranhado que você pode destruir [com cada medição] é ridiculamente pequena”.
Em março de 2019, o grupo de Altman publicou uma pré-impressão detalhando como a cadeia efetivamente escondeu informações das medições e permitiu que grande parte do emaranhado da cadeia escapasse da devastação. Mais ou menos na mesma época, o grupo de Smith atualizou as suas descobertas, fazendo com que todos os quatro grupos concordassem.
A resposta à pergunta de Nahum foi clara. Uma “transição de fase induzida por medição” era, teoricamente, possível. Mas, ao contrário de uma transição de fase tangível, como o endurecimento da água em gelo, esta foi uma transição entre fases de informação – uma em que a informação permanece espalhada com segurança entre as partículas e outra em que é destruída através de medições repetidas.
Isso é o que você sonha fazer na matéria condensada, disse Skinner – encontrar uma transição entre diferentes estados. “Agora você está pensando”, ele continuou, “como você vê isso?”
Nos quatro anos seguintes, três grupos de experimentadores detectariam sinais do fluxo distinto de informações.
Três maneiras de ver o invisível
Mesmo a experiência mais simples que poderia captar a transição intangível é extremamente difícil. “No nível prático, parece impossível”, disse Altman.
O objetivo é definir uma certa taxa de medição (pense em raro, médio ou frequente), deixar essas medições competirem um pouco com o emaranhamento e ver quanta entropia de emaranhamento você obtém no estado final. Em seguida, enxágue e repita com outras taxas de medição e veja como a quantidade de emaranhamento muda. É como aumentar a temperatura para ver como a estrutura de um cubo de gelo muda.
Mas a matemática punitiva da proliferação exponencial de possibilidades torna esta experiência quase impensavelmente difícil de realizar.
Eles realmente fizeram isso com força bruta.
Crystal Noel
A entropia de emaranhamento não é, estritamente falando, algo que você possa observar. É um número que você infere por meio da repetição, da mesma forma que você pode eventualmente mapear a ponderação de um dado carregado. Rolar um único 3 não diz nada. Mas depois de lançar o dado centenas de vezes, você pode descobrir a probabilidade de obter cada número. Da mesma forma, encontrar uma partícula apontando para cima e outra apontando para baixo não significa que elas estejam emaranhadas. Você teria que obter o resultado oposto muitas vezes para ter certeza.
Deduzir a entropia de emaranhamento para uma cadeia de partículas que está sendo medida é muito, muito mais difícil. O estado final da cadeia depende de sua história experimental – se cada medição intermediária resultou em spin up ou spin down. Essas são reviravoltas do destino além do controle do experimentador, portanto, para acumular múltiplas cópias do mesmo estado, o experimentador precisa repetir o experimento indefinidamente até obter a mesma sequência de medições intermediárias – como jogar uma moeda repetidamente até obter um monte de cabeças seguidas. Cada medição adicional torna o esforço duas vezes mais difícil. Se você fizer 10 medições enquanto prepara uma série de partículas, por exemplo, precisará executar outros 210 ou 1.024 experimentos para obter o mesmo estado final uma segunda vez (e poderá precisar de mais 1.000 cópias desse estado para determinar seu estado). entropia de emaranhamento). Então você terá que alterar a taxa de medição e começar de novo.
A extrema dificuldade de sentir a transição de fase fez com que alguns físicos se perguntassem se ela era, em algum sentido significativo, real.
“Você está confiando em algo que é exponencialmente improvável para poder vê-lo”, disse Crystal Noel, física da Universidade Duke. “Então isso levanta a questão do que isso significa fisicamente?”
Noel passou quase dois anos pensando nas fases induzidas pela medição. Ela fazia parte de uma equipe que trabalhava em um novo computador quântico de íons aprisionados na Universidade de Maryland. O processador continha qubits, objetos quânticos que agem como partículas. Eles poderiam ser programados para criar emaranhados por meio de interações aleatórias. E o dispositivo poderia medir seus qubits.
Alex Mousan da Pratt Communications/Duke University
Em 2019, Noel e seus colegas começaram a colaborar com dois teóricos que descobriram uma maneira mais fácil de realizar o experimento. Eles descobriram uma maneira de reservar um qubit que, como um canário em uma mina de carvão, poderia servir como um indicador do estado de toda a cadeia.
O grupo também usou um segundo truque para reduzir o número de repetições – um procedimento técnico que consistia em simular digitalmente o experimento em paralelo com a execução real. Dessa forma, eles sabiam o que esperar. Foi como saber antecipadamente como o dado carregado foi pesado, e isso reduziu o número de execuções experimentais necessárias para descobrir a estrutura de emaranhamento invisível.
Com esses dois truques, eles conseguiram detectar a transição de emaranhamento em cadeias de 13 qubits de comprimento e publicaram seus resultados no verão de 2021.
“Ficamos surpresos”, disse Nahum. “Certamente não pensei que isso teria acontecido tão cedo.”
Sem o conhecimento de Nahum ou Noel, uma execução completa da versão original e exponencialmente mais difícil do experimento – sem truques ou advertências – já estava em andamento.
Naquela época, a IBM havia acabado de atualizar seus computadores quânticos, dando-lhes a capacidade de fazer medições relativamente rápidas e confiáveis de qubits em tempo real. E Jin Ming Koh, na época estudante de graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia, fez uma apresentação interna para pesquisadores da IBM e os convenceu a ajudar em um projeto que levaria o novo recurso ao seu limite. Sob a supervisão de Austin Minnich, físico aplicado da Caltech, a equipe decidiu detectar diretamente a transição de fase, em um esforço que Skinner chama de “heróico”.
Depois de consultar a equipe de Noel para aconselhamento, o grupo simplesmente lançou os dados metafóricos vezes suficientes para determinar a estrutura de emaranhamento de cada histórico de medição possível para cadeias de até 14 qubits. Eles descobriram que quando as medições eram raras, a entropia do emaranhado dobrava quando o número de qubits dobrava – uma assinatura clara do emaranhamento preenchendo a cadeia. As cadeias mais longas (que envolveram mais medições) exigiram mais de 1,5 milhão de execuções nos dispositivos da IBM e, ao todo, os processadores da empresa funcionaram durante sete meses. Foi uma das tarefas computacionalmente mais intensivas já concluídas usando computadores quânticos.
O grupo de Minnich publicou a sua realização das duas fases em Março de 2022, e acalmou quaisquer dúvidas remanescentes de que o fenómeno era mensurável.
“Eles realmente fizeram isso com força bruta”, disse Noel, e provaram que “para sistemas pequenos, é factível”.
Recentemente, uma equipe de físicos colaborou com o Google para ir ainda mais longe, estudando o equivalente a uma cadeia quase duas vezes mais longa que as duas anteriores. Vedika Khemani, da Universidade de Stanford, e Matteo Ippoliti, agora na Universidade do Texas, em Austin, já haviam usado o processador quântico do Google em 2021 para criar um cristal de tempo, que, assim como as fases de emaranhamento espalhado, é uma fase exótica existente em um sistema em mudança.
Trabalhando com uma grande equipe de pesquisadores, a dupla pegou os dois truques desenvolvidos pelo grupo de Noel e acrescentou um novo ingrediente: o tempo. A equação de Schrödinger liga o passado de uma partícula ao seu futuro, mas a medição rompe essa ligação. Ou, como disse Khemani, “uma vez que você coloca medições em um sistema, esta flecha do tempo é completamente destruída”.
Sem uma seta clara do tempo, o grupo foi capaz de reorientar a cerca de arame de Nahum para permitir o acesso a diferentes qubits em momentos diferentes, que usaram de maneiras vantajosas. Entre outros resultados, encontraram uma transição de fase num sistema equivalente a uma cadeia de cerca de 24 qubits, que descreveram numa pré-impressão de março.
Potência de medição
O debate de Skinner e Nahum sobre o pudim, juntamente com o trabalho de Fisher e Smith, gerou um novo subcampo entre os físicos interessados em medição, informação e emaranhamento. No centro das diversas linhas de investigação está uma compreensão crescente de que as medições fazem mais do que apenas recolher informações. São eventos físicos que podem gerar fenômenos genuinamente novos.
“As medições não são algo em que os físicos da matéria condensada tenham pensado historicamente”, disse Fisher. Fazemos medições para coletar informações no final de um experimento, continuou ele, mas não para realmente manipular um sistema.
Em particular, as medições podem produzir resultados incomuns porque podem ter o mesmo tipo de sabor de todos os lugares ao mesmo tempo que antes perturbava Einstein. No instante da medição, as possibilidades alternativas contidas no estado quântico desaparecem, para nunca mais serem realizadas, incluindo aquelas que envolvem pontos distantes do universo. Embora a não-localidade da mecânica quântica não permita transmissões mais rápidas que a luz como Einstein temia, ela permite outros feitos surpreendentes.
“As pessoas estão intrigadas com o tipo de novos fenômenos coletivos que podem ser induzidos por esses efeitos não locais das medições”, disse Altman.
Há muito se pensa que emaranhar uma coleção de muitas partículas, por exemplo, exige pelo menos tantas etapas quanto o número de partículas que você espera emaranhar. Mas no inverno passado, os teóricos detalharam uma maneira de conseguir isso em muito menos etapas, usando medições criteriosas. No início deste ano, o mesmo grupo colocou a ideia em prática e criou uma tapeçaria de emaranhados que hospeda partículas lendárias que lembram o seu passado. Outras equipes estão estudando outras maneiras pelas quais a medição poderia ser usada para sobrecarregar estados emaranhados de matéria quântica.
A explosão de interesse foi uma surpresa completa para Skinner, que recentemente viajou a Pequim para receber um prémio pelo seu trabalho no Grande Salão do Povo na Praça Tiananmen. (A equipe de Fisher também foi homenageada.) Skinner inicialmente acreditava que a pergunta de Nahum era puramente um exercício mental, mas hoje em dia ele não tem tanta certeza do rumo que tudo isso está tomando.
“Achei que estávamos jogando apenas um jogo divertido”, disse ele, “mas não estaria mais disposto a apostar na ideia de que não é útil”.
Publicado em 14/09/2023 15h30
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