O emaranhamento quântico é realmente uma "ação fantasmagórica à distância". 

Crédito da imagem: MARK GARLICK / SCIENCE PHOTO BIBRARY via Getty Images

O emaranhamento quântico é um dos fenômenos super-bizarros vistos quando as coisas ficam pequenas, ou dentro do reino quântico. Quando duas ou mais partículas se ligam de uma certa maneira, não importa quão distantes estejam no espaço, seus estados permanecem ligados. Isso significa que eles compartilham um estado quântico comum e unificado. Portanto, as observações de uma das partículas podem fornecer automaticamente informações sobre as outras partículas emaranhadas, independentemente da distância entre elas. E qualquer ação em uma dessas partículas invariavelmente impactará as outras no sistema emaranhado.

QUEM DESCOBRIU O EMARANHAMENTO QUÂNTICO?

Os físicos desenvolveram as ideias fundamentais por trás do emaranhamento à medida que elaboravam a mecânica do mundo quântico nas primeiras décadas do século XX. Eles descobriram que para descrever adequadamente os sistemas subatômicos, eles tinham que usar algo chamado estado quântico.

No mundo quântico, nada é conhecido com certeza; por exemplo, você nunca sabe exatamente onde um elétron em um átomo está localizado, apenas onde ele pode estar. Um estado quântico resume a probabilidade de medir uma certa propriedade de uma partícula, como sua posição ou momento angular. Assim, por exemplo, o estado quântico de um elétron descreve todos os lugares em que você pode encontrá-lo, junto com as probabilidades de encontrar o elétron nesses locais.

Outra característica dos estados quânticos é que eles podem ser correlacionados com outros estados quânticos, o que significa que as medições de um estado podem afetar o outro. Em um artigo de 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen examinaram como estados quânticos fortemente correlacionados interagiriam uns com os outros. Eles descobriram que quando duas partículas estão fortemente correlacionadas, elas perdem seus estados quânticos individuais e, em vez disso, compartilham um único estado unificado. Outra maneira de pensar sobre isso é que um único "contêiner" matemático pode descrever todas as partículas simultaneamente, independentemente de suas propriedades individuais. Esse estado unificado seria conhecido como emaranhamento quântico.

Albert Einstein se referiu ao famoso emaranhamento quântico como "ação fantasmagórica à distância". Crédito da imagem: NASA

Eles descobriram que se duas partículas estão emaranhadas, o que significa que seus estados quânticos são fortemente correlacionados e tornam-se unificados, as medições de uma das partículas influenciam automaticamente a outra, não importa a distância entre as partículas, de acordo com a Enciclopédia de Stanford Filosofia.

O primeiro físico a usar a palavra "emaranhamento" foi Erwin Schrödinger, um dos fundadores da mecânica quântica. Ele descreveu o emaranhamento como o aspecto mais essencial da mecânica quântica, dizendo que sua existência é um afastamento completo das linhas clássicas de pensamento.

O QUE É O PARADOXO EPR?

Como Einstein, Podolsky e Rosen descobriram, o emaranhamento parece instantâneo: uma vez que você tenha conhecimento de um estado quântico, você conhece automaticamente o estado quântico de qualquer partícula emaranhada. Em princípio, você poderia colocar duas partículas emaranhadas em extremos opostos da galáxia e ainda ter esse conhecimento instantâneo, que parece violar o limite da velocidade da luz.

Esse resultado é conhecido como paradoxo EPR (abreviação de Einstein, Podolsky e Rosen), de acordo com a American Physical Society - um efeito que Einstein apelidou de "ação fantasmagórica à distância". Ele usou o paradoxo como evidência de que a teoria quântica estava incompleta. Mas os experimentos confirmaram repetidamente que as partículas emaranhadas influenciam umas às outras independentemente da distância, e a mecânica quântica permanece verificada até hoje.

Não há uma resolução geralmente aceita para o paradoxo. No entanto, embora os sistemas emaranhados não mantenham a localidade (o que significa que uma parte de um sistema emaranhado pode influenciar imediatamente uma partícula distante), eles respeitam a causalidade, o que significa que os efeitos sempre têm causas. Um observador na partícula distante não sabe se o observador local perturbou o sistema emaranhado e vice-versa. Eles devem trocar informações entre si não mais rápido do que a velocidade da luz para confirmar.

Em outras palavras, os limites impostos pela velocidade da luz ainda são válidos para os sistemas emaranhados. Embora você possa saber o status do estado de uma partícula distante, não pode comunicar essa informação mais rápido do que a velocidade da luz.

COMO VOCÊ CRIA O EMARANHAMENTO QUÂNTICO?

Existem muitas maneiras de emaranhar partículas. Um método é resfriar as partículas e colocá-las próximas o suficiente para que seus estados quânticos (representando a incerteza na posição) se sobreponham, tornando impossível distinguir uma partícula da outra.

Outra maneira é confiar em algum processo subatômico, como a decomposição nuclear, que produz automaticamente partículas emaranhadas. De acordo com a NASA, também é possível criar pares emaranhados de fótons, ou partículas de luz, dividindo um único fóton e gerando um par de fótons no processo, ou misturando pares de fótons em um cabo de fibra óptica.

Ilustração artística de uma nuvem de átomos com pares de partículas emaranhadas entre si, representadas pelas linhas amarelo-azuis. Crédito da imagem: ICFO

PARA QUE PODE SER USADO O EMARANHAMENTO QUÂNTICO?

Talvez a aplicação mais amplamente usada do emaranhamento quântico seja na criptografia. De acordo com a Caltech Magazine, neste cenário, um emissor e um receptor constroem um link de comunicação seguro que inclui pares de partículas emaranhadas. O emissor e o receptor usam as partículas emaranhadas para gerar chaves privadas, conhecidas apenas por eles, que podem usar para codificar suas mensagens. Se alguém intercepta o sinal e tenta ler as chaves privadas, o emaranhamento se quebra, porque medir uma partícula emaranhada muda seu estado. Isso significa que o remetente e o destinatário saberão que suas comunicações foram comprometidas.

Outra aplicação do emaranhamento é a computação quântica, na qual um grande número de partículas é emaranhado, permitindo assim que trabalhem em conjunto para resolver alguns problemas grandes e complexos. Por exemplo, um computador quântico com apenas 10 qubits (bits quânticos) pode representar a mesma quantidade de memória que 2^10 bits tradicionais.

O QUE É TELETRANSPORTE DE EMARANHAMENTO QUÂNTICO?

Ao contrário do uso usual da palavra "teletransporte", o teletransporte quântico não envolve o movimento ou a translação das próprias partículas. Em vez disso, no teletransporte quântico, as informações sobre um estado quântico são transportadas por grandes distâncias e replicadas em outro lugar, de acordo com a Nature News.

É melhor pensar no teletransporte quântico como a versão quântica da comunicação tradicional.

Primeiro, um emissor prepara uma partícula para conter as informações (ou seja, o estado quântico) que deseja transmitir. Então, eles combinam este estado quântico com um de um par de partículas emaranhadas. Isso causa uma mudança correspondente no outro par emaranhado, que pode estar sentado a uma distância arbitrária.

O receptor então registra a mudança no parceiro emaranhado do par. Finalmente, o emissor deve transmitir, por meio dos canais normais (ou seja, limitado pela velocidade da luz), a alteração original feita no par emaranhado. Isso permite que o receptor reconstrua o estado quântico no novo local.

Pode parecer muito trabalhoso passar adiante uma pequena informação, mas o teletransporte quântico permite uma comunicação completamente segura. Se um bisbilhoteiro interceptar o sinal, eles quebrarão o emaranhamento, que seria revelado quando o receptor comparasse o sinal tradicional às mudanças feitas no par emaranhado.

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Recursos Adicionais:

• O MIT tem um grande explicador sobre: O que é um computador quântico?
• Aprenda sobre todos os usos modernos do emaranhamento quântico nesta página da Universidade de Waterloo.

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Referência: 

SUTTER, Paul. What is quantum entanglement?. Live Science, 30, mai. 2021. Disponível em: <https://www.livescience.com/what-is-quantum-entanglement.html>. Acesso em: 13, jun. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.