O que é emaranhamento quântico? Tudo sobre essa peculiaridade ‘assustadora’ da física

O que é emaranhamento quântico? Tudo sobre essa peculiaridade ‘assustadora’ da física

8 de junho de 2022 0 Por Jonas Estefanski
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O emaranhamento quântico parece quebrar as regras fundamentais da física, mas também sustenta muitas tecnologias importantes.

Fundo abstrato de gavinhas e partículas.

Se você sabe alguma coisa sobre mecânica quântica, há uma boa chance de ter ouvido falar de emaranhamento quântico. Essa característica da mecânica quântica é uma das descobertas mais extraordinárias do século 20 e é uma das avenidas mais promissoras de pesquisa para tecnologias avançadas em comunicações, computação e muito mais.

Mas o que é emaranhamento quântico e por que é tão importante? Por que isso assustou Albert Einstein ? E por que parece violar uma das leis mais importantes da física?

O que é emaranhamento quântico em termos simples?

Sempre que você discute a mecânica quântica, as coisas ficam complicadas, e o emaranhamento quântico não é diferente. 

A primeira coisa a entender é que as partículas existem em um estado de “superposição” até serem observadas. Em uma demonstração muito comum, as partículas quânticas usadas como qubits em um computador quântico são 0 e 1 ao mesmo tempo até serem observadas, pelo que parecem aleatoriamente se tornar 0 ou 1. 

Agora, em termos simples, o emaranhamento quântico é quando duas partículas são produzidas ou interagem de tal forma que as principais propriedades dessas partículas não podem ser descritas independentemente uma da outra.

Por exemplo, se dois fótons são gerados e emaranhados, uma partícula pode ter um giro no sentido horário em um eixo, de modo que a outra necessariamente terá um giro no sentido anti-horário nesse mesmo eixo.

Por si só, isso não é tão radical. Mas como as partículas na mecânica quântica também podem ser descritas como funções de onda, diz-se que o ato de medir o spin de uma partícula “colapsa” sua função de onda para produzir essa propriedade mensurável (como ir de 0 e 1 para apenas 0 ou apenas 1).

Quando você faz isso com partículas emaranhadas, no entanto, chegamos à parte realmente incrível do emaranhamento quântico. Quando você mede uma partícula emaranhada para determinar seu spin ao longo de algum eixo e colapsa sua função de onda, a outra partícula também colapsa para produzir a propriedade mensurável de spin, mesmo que você não tenha observado a outra partícula.

Se um par de partículas emaranhadas for 0 e 1, e você medir uma partícula como 0, a outra partícula emaranhada colapsará automaticamente para produzir um 1, inteiramente por conta própria e sem nenhuma interação do observador.

Isso parece acontecer instantaneamente e independentemente da distância entre eles, o que originalmente levou à conclusão paradoxal de que a informação sobre o spin da partícula medida está de alguma forma sendo transmitida ao seu parceiro emaranhado mais rápido do que a velocidade da luz.

O entrelaçamento quântico é real?

O emaranhamento quântico não é apenas real, mas também é um componente importante de tecnologias emergentes, como computação quântica e comunicações quânticas.

Na computação quântica, como você pode operar em qubits em um processador quântico sem observá-los e, portanto, reduzi-los em bits digitais simples e antigos? Como você detecta erros sem olhar para os qubits e destruir todo o mecanismo que torna a computação quântica tão poderosa?

O emaranhamento quântico de várias partículas seguidas é vital para colocar distância suficiente entre os qubits e o mundo exterior para manter os qubits vitais em superposição por tempo suficiente para que eles realizem cálculos.

As comunicações quânticas são outra área de pesquisa que espera tirar proveito do emaranhamento quântico para facilitar a comunicação, embora isso não signifique que uma comunicação mais rápida do que a luz esteja no horizonte (na verdade, essa tecnologia é provavelmente impossível ).

Todas as partículas estão emaranhadas?

Até certo ponto, sim.

Quando a maioria das pessoas discute o emaranhamento quântico, eles usam um exemplo de duas partículas emaranhadas se comportando de uma certa maneira para demonstrar o fenômeno, mas isso é uma simplificação de um sistema quântico incrivelmente complexo.

A realidade é que uma determinada partícula pode ser emaranhada com muitas partículas diferentes em graus variados, não apenas no estado “máximo emaranhado”, onde duas partículas são correlacionadas uma a uma e apenas uma à outra.

É por isso que medir uma parte de um par emaranhado não garante automaticamente que você saberá o estado da outra partícula em aplicações do mundo real, já que essa outra partícula tem outros emaranhados que também está mantendo. Isso lhe dá uma chance melhor do que aleatória de conhecer o estado da outra partícula. 

Quem descobriu o entrelaçamento quântico?

O emaranhamento quântico, ou pelo menos os princípios que descrevem o fenômeno , foi proposto pela primeira vez por Einstein e seus colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen em um artigo de 1935 na revista Physical R eview intitulado “ Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Completo.” Nele, Einstein, Podolsky e Rosen discutiram que uma correlação especialmente forte de estados quânticos entre partículas pode levá-las a ter um único estado quântico unificado.

Eles também determinaram que este estado unificado pode resultar na medição de uma partícula fortemente correlacionada tendo um efeito direto sobre a outra partícula fortemente correlacionada sem considerar a distância entre as duas partículas.

O objetivo do artigo de Einstein-Podolsky-Rosen não era anunciar a “descoberta” do emaranhamento quântico, em si, mas descrever esse fenômeno que havia sido observado e discutido e argumentar que deve haver um componente ausente da mecânica quântica que ainda não foi descoberto.

Como o fenômeno de forte correlação que eles descreveram violou as leis estabelecidas na relatividade de Einstein e parecia paradoxal, o artigo argumentou que deveria haver algo mais que os físicos estavam perdendo que colocaria adequadamente o reino quântico sob o guarda-chuva da relatividade. Esse “algo mais” ainda não foi encontrado quase um século depois.

O primeiro uso da palavra “emaranhamento” para descrever esse fenômeno pertence a Erwin Schrödinger, que o reconheceu como uma das características mais fundamentais da mecânica quântica e argumentou que não era um mistério que logo seria resolvido sob a relatividade, mas sim um forte ruptura com a física clássica inteiramente.

O que Einstein disse sobre o entrelaçamento quântico?

Famosamente, Einstein descreveu o emaranhamento quântico como “ação assustadora à distância”, mas na verdade ele o descreveu como mais do que apenas uma peculiaridade estranha de partículas fantasmagóricas com conhecimento instantâneo umas das outras.

Einstein realmente viu o emaranhamento quântico como um paradoxo matemático, uma contradição inerente à lógica matemática que mostra que algo sobre os argumentos que estão sendo feitos deve estar errado.

No caso do paradoxo Einstein-Podolsky-Rosen, como veio a ser chamado, os argumentos são de que as regras fundamentais da mecânica quântica são completamente conhecidas e que a relatividade geral é válida. Se a relatividade geral for válida, então nada no universo pode viajar mais rápido que a velocidade da luz , que se move a 186.000 milhas por segundo.

Se a mecânica quântica fosse totalmente compreendida, então as regras que governam a forte correlação entre partículas estão completas e nossas observações nos dizem tudo o que precisamos saber.

Como as partículas quânticas são “do universo”, elas deveriam ser governadas pela velocidade da luz como todo o resto, mas o emaranhamento quântico não apenas parece compartilhar instantaneamente informações entre partículas que teoricamente poderiam estar em extremidades opostas do universo. Ainda mais estranho, essa informação pode até viajar no tempo .

O emaranhamento quântico ao longo do tempo teria todos os tipos de implicações para a natureza da causalidade, que é uma lei da física tão fundamental quanto possível. Não funciona ao contrário, os efeitos não podem preceder sua causa, mas alguns cientistas pensam que essas regras podem não se aplicar ao reino quântico mais do que a velocidade da luz.

Este último ponto ainda é principalmente especulativo, mas tem alguma base experimental, e apenas complica ainda mais o paradoxo que Einstein, Podolsky e Rosen propuseram em seu artigo de 1935.

Por que o entrelaçamento quântico é importante?

O emaranhamento quântico é importante por duas razões principais.

Primeiro, o emaranhamento quântico é um mecanismo tão fundamental do mundo quântico, ao mesmo tempo em que podemos interagir e influenciar diretamente. Pode fornecer uma maneira fundamental de aproveitar algumas das propriedades mais fundamentais do universo para avançar nossa tecnologia a novos patamares.

Sabemos como emaranhar partículas e o fazemos regularmente tanto em laboratórios quanto em aplicações do mundo real, como computadores quânticos. Os computadores quânticos, em particular, demonstram o potencial da mecânica quântica na tecnologia moderna, e o emaranhamento quântico é a melhor ferramenta que temos para realmente alavancar a mecânica quântica dessa maneira.

A outra grande razão pela qual o emaranhamento quântico é importante é que é um sinal que aponta para algo verdadeiramente fundamental sobre o nosso universo. É uma demonstração tão clara quanto você pode obter de que o mundo quântico é quase uma forma mais pura do universo do que a que podemos ver e que obedece a leis que podemos explicar.

Se todo o universo é um palco e a matéria são os atores, então o emaranhamento quântico – e a mecânica quântica de forma mais ampla – pode ser o cordame que levanta as cortinas, os interruptores que acendem e apagam as luzes, ou mesmo os figurinos que os atores usam. vestem.

Se assistirmos a uma peça, há duas maneiras de apreciá-la. Você pode ver além do teatro e dos cenários para apreciar a história que a peça transmite, ou pode apreciar a qualidade da performance, a encenação e a execução.

Você pode ver duas coisas muito diferentes observando exatamente o mesmo desempenho, e a mecânica quântica parece nos dar uma maneira diferente de ver o mesmo universo que sempre vimos, e o emaranhamento quântico pode ser a chave que nos leva aos bastidores.

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