Emaranhamento quântico finalmente é provado
As coisas estão prestes a ficar realmente estranhas. Se é que é possível alguma coisa ficar ainda mais estranha quando o assunto é o tal do gato de Schrödinger. Bem, antes de mais nada, se você não tem a menor ideia do que eu estou falando, leia o item 6 do artigo 7 bizarros conceitos da física que todos devem conhecer.
O mundo da mecânica quântica é estranho. Os objetos que estão distantes podem influenciar uns aos outros no que Albert Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância”, e os gatos podem, potencialmente, estar mortos e vivos ao mesmo tempo. Durante décadas, cientistas tentaram provar que esses efeitos não são apenas peculiaridades matemáticas, mas também propriedades reais do mundo físico.
Por muito tempo pareceu loucura, mas eles finalmente estão chegando a algum lugar.
Pesquisadores finalmente comprovaram em um novo estudo que a ligação que existe entre as partículas a uma distância reflete na forma como o universo se comporta, ao invés de ser um artefato experimental.
Enquanto isso, outra equipe de pesquisadores fez experimentos para mostrar que uma criatura viva, ainda que uma bactéria, pode estar em dois estados quânticos diferentes ao mesmo tempo – assim como o gato no experimento proposto por Schrödinger.
O que mudou?
Este novo estudo, publicado na revista internacional Nature, prova que o mundo é inerentemente assustador. Todos os sistemas descritos pela mecânica quântica podem exibir o que é chamado de emaranhamento quântico. Por exemplo, um elétron, como uma moeda, pode girar em duas direções (para cima e para baixo).
Além disso, dois elétrons podem ficar entrelaçados de modo que uma medição no giro de um deles define a rotação do outro.
De acordo com a mecânica quântica, o giro de um elétron não pode ser conhecido com antecedência e ainda ser perfeitamente correlacionado com o outro. Einstein em particular não gostava dessa ideia porque ela dava a entender que a informação poderia ser enviada a partir de um elétron para o outro instantaneamente – quebrando uma regra que diz que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz.
Em vez disso, a suposição de Peter Mosley, da Universidade de Bath, é a de que havia “variáveis ocultas” codificadas em cada elétron que poderiam determinar o resultado se nós conseguíssemos acessá-las.
Na década de 1960, o cientista norte-irlandês John Bell veio com um método para testar a teoria de Einstein. A chamada “Desigualdade de Bell” é satisfeita apenas se as ações em um local não puderem afetar outro lugar instantaneamente e os resultados das medições forem bem definidos de antemão – algo apelidado de “realismo local”.
Bell mostrou, teoricamente, que o entrelaçamento quântico violaria sua teoria da desigualdade, mas teorias realistas contendo as variáveis ocultas, não. Isso ocorre porque a ligação entre partículas entrelaçadas é mais forte do que Einstein queria acreditar.
Então, se a correlação medida entre pares de partículas de um experimento fosse acima de um determinado limiar, seria inconsistente com variáveis ocultas e a teoria do emaranhamento quântico iria ganhar o dia.
O desejo de testar isso em laboratório tem impulsionado enormes avanços nos 51 anos desde o primeiro trabalho de Bell. No entanto, todas as implementações de testes a esta teoria que foram tentadas até hoje deixaram alguma brecha para as teorias realistas locais.
Uma delas foi que a eficiência das medidas era muito baixa (conhecida como “brecha de detecção”).
Embora os dados obtidos tenham violado o teste de desigualdade de Bell, a amostra pode não ser suficientemente representativa de um conjunto completo porque alguns fótons no experimento não podem ser detectados.
Outra lacuna do emaranhamento quântico
Outra lacuna é que as medidas são muito lentas (a “brecha de localidade”). Se os dispositivos de medição foram capazes de se comunicar através de algum canal desconhecido, mais lento do que a luz, talvez pudessem compartilhar informações e influenciar o resultado da medição iminente.
O novo estudo é o primeiro a fechar simultaneamente ambas estas lacunas em um teste de desigualdade de Bell.
Como isso foi feito?
Os cientistas usaram um laser para fazer dois elétrons específicos, cada um localizado dentro de um diamante a mais de 1 km de distância. Em seguida, aumentaram a sua energia e emitiram uma partícula de luz (um fóton), que foi envolvido com o estado do elétron. Os fótons foram então enviados através de uma fibra óptica para serem unidos em um terceiro local.
Se eles chegassem ao mesmo tempo, os fótons iriam interagir entre si e se enroscar – ou seja, os seus companheiros elétrons entrelaçados se tornariam remotos também.
O giro dos elétrons foi medido depois de testar a desigualdade de Bell.
As duas brechas foram fechadas, com eficácia e rapidez suficientemente altas. Como resultado, a equipe de pesquisa foi capaz de demonstrar que o universo não obedece ao realismo local: os resultados das medições não podem ser conhecidos antecipadamente, e metade de um estado emaranhado pode exercer ação fantasmagórica em seu parceiro remoto.
Famoso físico felino
O emaranhamento quântico não é o único tipo de comportamento quântico incomum.
Outro efeito, conhecido como sobreposição, é a capacidade de uma partícula de existir em dois estados simultaneamente. Agora, ele é regularmente observado em laboratórios em todo o mundo.
Por exemplo, os elétrons têm sido conhecidos por viajar por duas fendas ao mesmo tempo – quando não estamos observando. No minuto em que resolvemos observar cada fenda em um destes comportamentos, a partícula escolhe apenas um e segue seu caminho.
No entanto, nós não observamos estes efeitos na vida diária. Por exemplo, o meu copo não pode estar em dois lugares ao mesmo tempo ou eu iria ter problemas sérios para conseguir beber água (mais do que já tenho normalmente).
Se tivéssemos uma experiência tecnicamente perfeita, seríamos capazes de observar objetos grandes nesses estados de superposição? Esta é a pergunta feita pelo pensamento do experimento de Schrödinger, em que um gato é colocado em uma caixa selada com um frasco de veneno e um único átomo radioativo, que sofrerá deterioração em um horário aleatório.
Se o átomo deteriora, o balão é quebrado e o gato é envenenado. Se isso não acontecer, o gato vive. Ao esperar o átomo decair, o gato existe em ambos os estados de uma vez.
Nós sabemos que, quando abrirmos a caixa, temos de encontrar o gato vivo ou morto, mas esta é uma propriedade do universo ou é o observador que faz o gato “escolher” seu estado?
Testando Schrödinger
A proposta da equipe para testar isso na vida real envolve a colocação de uma bactéria em vez de um gato em um estado de superposição.
Avanços técnicos recentes baseados em supercondutores ressonadores de microondas – dispositivos utilizados para detectar radiação e a computação quântica – permitem que físicos observem os efeitos quânticos em membranas de alumínio macias minúsculas (conhecidas em micromecânica como osciladores) acopladas ao circuito.
Estas membranas minúsculas contam como grandes objetos no mundo da física quântica porque, mesmo com uma massa de apenas 50 picogramas (50 trilionésimos de grama), contêm centenas de bilhões de átomos. No entanto, estes ressonadores têm de ser arrefecidos até dentro de uma fração do zero absoluto (-273 °C) antes de qualquer comportamento quântico emergir. Caso contrário, vibrações térmicas irão mascarar os efeitos.
A equipe pretende, então, colocar uma bactéria no topo de uma tal membrana, que seria arrefecida a um estado de energia mais baixa. Em seguida, a membrana seria colocada em uma superposição de dois estados diferentes de movimento: dois tipos diferentes de oscilações.
Isso destina-se a mostrar que o efeito da bactéria nas propriedades do oscilador seria mínimo, com o oscilador eficazmente comportando-se como se a bactéria não estivesse lá. Desta forma, a bactéria ficaria eficazmente em dois estados de movimento de uma só vez.
Os pesquisadores planejam também entender mais sobre a posição da bactéria com o spin de um elétron dentro dela. O experimento proposto seria impressionante – principalmente para mostrar que a mecânica quântica vale para objetos maiores do que as partículas subatômicas.
E o gato?
Ainda assim, parece improvável a possibilidade de poder responder se o gato de Schrödinger pode estar vivo e morto ao mesmo tempo, porque a bactéria permaneceria em um estado vivo-morto constante de criopreservação. [sciencealert]
