O emaranhamento quântico continua sendo um dos campos de estudo mais desafiadores para os físicos modernos. Descritos por Einstein como "ação assustadora à distância", os cientistas há muito procuram conciliar como esse aspecto da mecânica quântica pode coexistir com a mecânica clássica. Essencialmente, o fato de duas partículas poderem ser conectadas a grandes distâncias viola as regras da localidade e do realismo.
Formalmente, isso é uma violação da ineqaulidade de Bell, uma teoria que tem sido usada há décadas para mostrar que localidade e realismo são válidos apesar de serem inconsistentes com a mecânica quântica. No entanto, em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores da Universidade Ludwig-Maximilian (LMU) e do Instituto Max Planck de Ótica Quântica em Munique realizou testes que mais uma vez violam a desigualdade de Bell e comprova a existência de emaranhamento.
Seu estudo, intitulado "Teste de campainha pronto para eventos usando átomos emaranhados simultaneamente fechando lacunas de detecção e localidade", foi publicado recentemente no Cartas de Revisão Física. Liderada por Wenjamin Rosenfeld, físico do LMU e do Instituto Max Planck de Quantum Optics, a equipe procurou testar a desigualdade de Bell ao enredar duas partículas à distância.
A desigualdade de Bell (nomeada em homenagem ao físico irlandês John Bell, que a propôs em 1964) essencialmente afirma que as propriedades dos objetos existem independentemente de serem observadas (realismo), e nenhuma informação ou influência física pode se propagar mais rápido que a velocidade da luz (localidade). Essas regras descrevem perfeitamente a realidade que os seres humanos experimentam diariamente, onde as coisas estão enraizadas em um espaço e tempo específicos e existem independentemente de um observador.
No entanto, no nível quântico, as coisas não parecem seguir essas regras. Não apenas as partículas podem ser conectadas de maneiras não locais por grandes distâncias (isto é, emaranhamento), mas as propriedades dessas partículas não podem ser definidas até que sejam medidas. E, embora todos os experimentos tenham confirmado que as previsões da mecânica quântica estão corretas, alguns cientistas continuaram argumentando que existem brechas que permitem o realismo local.
Para resolver isso, a equipe de Munique realizou um experimento usando dois laboratórios na LMU. Enquanto o primeiro laboratório estava localizado no porão do departamento de física, o segundo localizava-se no porão do departamento de economia - a cerca de 400 metros. Nos dois laboratórios, as equipes capturaram um único átomo de rubídio em uma armadilha tópica e começaram a estimulá-los até liberarem um único fóton.
Como o Dr. Wenjamin Rosenfeld explicou em um comunicado de imprensa do Instituto Max Planck:
“Nossas duas estações de observação são operadas independentemente e estão equipadas com seus próprios sistemas de controle e laser. Devido à distância de 400 metros entre os laboratórios, a comunicação entre um e outro levaria 1328 nanossegundos, muito mais do que a duração do processo de medição. Portanto, nenhuma informação sobre a medição em um laboratório pode ser usada no outro laboratório. É assim que fechamos a brecha na localidade. "
Uma vez que os dois átomos de rubídio foram excitados a ponto de liberar um fóton, os estados de rotação dos átomos de rubídio e os estados de polarização dos fótons foram efetivamente entrelaçados. Os fótons foram então acoplados em fibras ópticas e guiados para uma configuração onde foram levados a interferências. Depois de realizar uma medição por oito dias, os cientistas conseguiram coletar cerca de 10.000 eventos para verificar a presença de sinais.
Isso teria sido indicado pelos giros dos dois átomos de rubídio presos, os quais apontariam na mesma direção (ou na direção oposta, dependendo do tipo de emaranhamento). O que a equipe de Munique descobriu foi que, para a grande maioria dos eventos, os átomos estavam no mesmo estado (ou no estado oposto) e que havia apenas seis desvios consistentes com a desigualdade de Bell.
Esses resultados também foram estatisticamente mais significativos do que os obtidos por uma equipe de físicos holandeses em 2015. Para esse estudo, a equipe holandesa conduziu experimentos usando elétrons em diamantes em laboratórios separados por 1,3 km. No final, seus resultados (e outros testes recentes da desigualdade de Bell) demonstraram que o emaranhamento quântico é real, fechando efetivamente a brecha no realismo local.
Como Wenjamin Rosenfeld explicou, os testes realizados por sua equipe também foram além dessas outras experiências, abordando outra questão importante. "Conseguimos determinar o estado de rotação dos átomos com muita rapidez e eficiência", disse ele. “Fechamos assim uma segunda brecha potencial: a suposição de que a violação observada é causada por uma amostra incompleta de pares de átomos detectados”.
Ao obter provas da violação da desigualdade de Bell, os cientistas não estão apenas ajudando a resolver uma incongruência duradoura entre a física clássica e a quântica. Eles também estão abrindo a porta para algumas possibilidades interessantes. Por exemplo, há anos, os cientistas antecipam o desenvolvimento de processadores quânticos, que dependem de emaranhados para simular os zeros e os do código binário.
Os computadores que dependem da mecânica quântica seriam exponencialmente mais rápidos que os microprocessadores convencionais e inaugurariam uma nova era de pesquisa e desenvolvimento. Os mesmos princípios foram propostos para a segurança cibernética, onde a criptografia quântica seria usada para codificar informações, tornando-as invulneráveis para hackers que dependem de computadores convencionais.
Por último, mas certamente não menos importante, existe o conceito de Quantum Entanglement Communications, um método que nos permitiria transmitir informações mais rapidamente que a velocidade da luz. Imagine as possibilidades de viagens espaciais e exploração se não estivermos mais limitados pelos limites da comunicação relativística!
Einstein não estava errado quando caracterizou emaranhados quânticos como "ação assustadora". De fato, muitas das implicações desses fenômenos ainda são tão assustadoras quanto fascinantes para os físicos. Porém, quanto mais próximo estivermos do entendimento, mais próximos estaremos do desenvolvimento de um entendimento de como todas as forças físicas conhecidas do Universo se encaixam - aka. uma teoria de tudo!
