O que é o emanharamento quântico?

Na terça-feira da semana passada (4) a Academia Real de Ciências da Suécia anunciou os vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2022 na cerimônia mais célebre do mundo científico.

Os laureados foram os físicos John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger pela condução de experimentos inovadores usando estados quânticos emaranhados, onde duas partículas se comportam como uma única unidade, mesmo quando separadas. Os resultados de suas pesquisas abriram caminho para novas tecnologias baseadas em informações quânticas, e a ciência por trás delas é particularmente impressionante.

Os físicos Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger laureados com o Nobel deste ano.Fonte:  Nobel Prize Organization 

Mas, afinal, o que é e do que trata o emanharamento quântico?

Para explicar esse conceito, precisamos voltar no tempo em algumas linhas, mais especificamente para o início do século XX.

Uma das regras mais fundamentais da física  - indiscutível desde que Einstein a estabeleceu pela primeira vez no ano miraculoso de 1905  - é que nada, em termos de matéria ou energia, pode se deslocar acima da velocidade da luz. Em outras palavras, nenhum sinal que transporte informação de qualquer tipo pode viajar pelo Universo mais rápido que a velocidade de aproximadamente 300 mil quilômetros por segundo.

Partículas, com massa ou sem, são necessárias para transmitir informações de um local para outro, e essas partículas são obrigadas a viajar abaixo que a velocidade da luz, para partículas com massa, ou com a sua velocidade limite, para partículas sem massa.

Por algum tempo, desde o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 20 e nas seguintes, essa regras, impostas pela natureza e descritas pela Teoria da Relatividade, foram acreditadas de terem sido subvertidas por uma outra propriedade natural de certas partículas no nosso Universo: o emanharamento quântico.

Embora existam muitos quebra-cabeças na física quântica, que, por sinal, é notória por desafiar nossa intuição, conceitualmente, o emaranhamento quântico (também chamado de entrelaçamento quântico) é uma ideia relativamente simples.

O lançamento de uma moeda tem 50% de probabilidade de cair cara ou coroa.Fonte:  Shutterstock 

Podemos discutir esse conceito a partir de uma analogia comum: o lançamento de uma moeda para cima. Se você e uma outra pessoa pegarem uma moeda padrão de um real cada e a arremessarem para cima, existe uma probabilidade igual para os dois lançamentos de que, ao cair, a moeda apresente 50% de chances para apresentar a face cara e 50% para a face coroa.

Os resultados obtidos no seu lançamento e os resultados apresentados pela outra pessoa, embora apresentem as mesmas probabilidades, são inteiramente aleatórios, independentes e não correlacionados. Isto é, o fato de você obter cara ou coroa em nada implica no resultado do lançamento da segunda moeda.

Mas, considere agora que essas moedas não sejam artefatos padrão comuns, mas sim moedas “quânticas”. Agora os lançamentos  - agora não mais de um sistema clássico, mas de um sistema quântico  - apresentam a probabilidade de que as moedas fiquem emaranhadas.

Se este for o caso, cada lançamento ainda pode ter a chance de obter cara ou coroa em 50%, mas se você jogar sua moeda e ela cair na posição cara, por exemplo, você será instantaneamente capaz de prever com uma precisão superior a 50% o resultado do lançamento da outra pessoa.

Como isso é possível?

Segundo o emaranhamento quântico, o que ocorre é como se houvesse um fio invisível que conectam as duas moedas e, quando a medida de um dos lançamentos é feita, instantaneamente a outra pessoa saberá algo sobre o resultado da outra moeda superando a aleatoriedade clássica.

Representação artística de dois fótons emaranhados.Fonte:  Royal Swedish Academy of Sciences 

Na física experimental, o que os cientistas conseguem fazer é criar pares de fótons emaranhados que são separados um do outro por grandes distâncias para obter duas fontes de medição independentes que dirão qual é o estado quântico de cada partícula. Ao comparar esses resultados, os físicos verificam que, surpreendentemente, os resultados estão correlacionados!

Mesmo separando dois fótons emanharados por distâncias de centenas de quilômetros, se a medição de uma propriedade  física (como o spin, por exemplo) for feita em um fóton, o resultado da medida dessa mesma propriedade no outro fóton será prevista com cerca de 75% de precisão, em vez dos 50% padrão.

Se, então, a distância entre duas partículas emaranhadas for muito grande, digamos, a distância de 1 milhão de anos-luz, isso significaria então que a velocidade de transmissão da informação entre elas superou a velocidade da luz?

Não é bem assim. A verdade é que existem muitas sutilezas associadas a como o emaranhamento quântico realmente funciona na prática para serem expostas com exatidão e didatismo em poucas linhas. Mas, em resumo, uma de suas principais conclusões é esta: não há procedimento de medição que você seja possível de realizar para forçar um resultado específico ao mesmo tempo em que mantém o emaranhamento entre as partículas. Isto é, inevitavelmente, às medidas ainda contarão com um aspecto aleatório inerente ao processo.

Isso implica que o resultado de qualquer medição quântica será inevitavelmente randômico que, por sua vez, impossibilita a transmissão de informação em velocidades superiores à da luz. Desse modo, a causalidade ainda é mantida e continua válida para o nosso Universo.