Computadores quânticos, criptografia quântica e quantum (insira o nome aqui) estão frequentemente nas notícias atualmente. Artigos sobre eles inevitavelmente se referem a emaranhamento , uma propriedade da física quântica que torna todos esses dispositivos mágicos possíveis.

Einstein chamou o entrelaçamento de "ação fantasmagórica à distância, "um nome que ficou e se tornou cada vez mais popular. Além de apenas construir computadores quânticos melhores, compreender e controlar o emaranhamento também é útil de outras maneiras.

Por exemplo, pode ser usado para fazer medições mais precisas de ondas gravitacionais, e para entender melhor as propriedades de materiais exóticos. Também aparece sutilmente em outros lugares:tenho estudado como os átomos que chocam uns com os outros ficam emaranhados, para entender como isso afeta a precisão dos relógios atômicos.

Mas o que é emaranhamento? Existe alguma maneira de entender esse fenômeno "assustador"? Tentarei explicá-lo reunindo duas noções da física:leis de conservação e superposições quânticas.

Leis de Conservação

As leis de conservação são alguns dos conceitos mais profundos e difundidos em toda a física. A lei da conservação de energia afirma que a quantidade total de energia em um sistema isolado permanece fixa (embora possa ser convertida de energia elétrica em energia mecânica para calor, e assim por diante). Esta lei é a base do funcionamento de todas as nossas máquinas, sejam eles motores a vapor ou carros elétricos. As leis de conservação são uma espécie de declaração de contabilidade:você pode trocar pedaços de energia ao redor, mas o valor total deve permanecer o mesmo.

A conservação do momento (momento sendo massa vezes velocidade) é a razão pela qual, quando dois patinadores de gelo com massas diferentes se separam, o mais leve se afasta mais rápido do que o mais pesado. Essa lei também fundamenta o famoso ditado de que "toda ação tem uma reação igual e oposta". Conservação de angular ímpeto é porque - voltando para os patinadores de gelo novamente - uma patinadora artística giratória pode girar mais rápido puxando os braços para mais perto de seu corpo.

Essas leis de conservação foram verificadas experimentalmente para funcionar em uma gama extraordinária de escalas no universo, de buracos negros em galáxias distantes até os menores elétrons girando.

Adição quântica

Imagine-se em uma bela caminhada pela floresta. Você chega a uma bifurcação na trilha, mas você se encontra lutando para decidir se vai para a esquerda ou para a direita. O caminho para a esquerda parece escuro e sombrio, mas tem a reputação de levar a belas vistas, enquanto o da direita parece ensolarado, mas íngreme. Você finalmente decide acertar, pensando melancolicamente sobre o caminho não percorrido. Em um mundo quântico, você poderia ter escolhido ambos.

Para sistemas descritos pela mecânica quântica (isto é, coisas que estão suficientemente bem isoladas do calor e perturbações externas), as regras são mais interessantes. Como um pião, um elétron, por exemplo, pode estar em um estado em que gira no sentido horário, ou em outro estado onde gira no sentido anti-horário. Ao contrário de um pião, também pode estar em um estado que é [giro no sentido horário] + [giro no sentido anti-horário] .

Os estados dos sistemas quânticos podem ser somados e subtraídos uns dos outros . Matematicamente, as regras para combinar estados quânticos podem ser descritas da mesma maneira que as regras para adicionar e subtrair vetores. A palavra para essa combinação de estados quânticos é um sobreposição . Isso é realmente o que está por trás dos estranhos efeitos quânticos dos quais você pode ter ouvido falar, como o experimento de dupla fenda, ou dualidade partícula-onda.

Digamos que você decida forçar um elétron no [giro no sentido horário] + [giro no sentido anti-horário] estado de superposição para produzir uma resposta definitiva. Em seguida, o elétron termina aleatoriamente ou no [girando no sentido horário] estado ou no [girando no sentido anti-horário] Estado. As probabilidades de um resultado em relação ao outro são fáceis de calcular (com um bom livro de física disponível). A aleatoriedade intrínseca deste processo pode incomodá-lo se sua visão de mundo requer que o universo se comporte de uma forma completamente previsível, mas … c'est la (testado experimentalmente) competir .

Leis de conservação e mecânica quântica

Vamos colocar essas duas ideias juntas agora, e aplicar a lei da conservação de energia a um par de partículas quânticas.

Imagine um par de partículas quânticas (digamos átomos) que começam com um total de 100 unidades de energia. Você e seu amigo separam o par, pegando um de cada. Você descobre que o seu tem 40 unidades de energia. Usando a lei da conservação de energia, você deduz que aquele que seu amigo tem deve ter 60 unidades de energia. Assim que você conhece a energia do seu átomo, você também conhece imediatamente a energia do átomo do seu amigo. Você saberia disso mesmo que seu amigo nunca lhe revelasse nenhuma informação. E você saberia disso mesmo se seu amigo estivesse do outro lado da galáxia no momento em que mediu a energia do seu átomo. Nada assustador sobre isso (uma vez que você percebe que isso é apenas correlação, não causação).

Mas os estados quânticos de um par de átomos podem ser mais interessantes. A energia do par pode ser dividida de muitas maneiras possíveis (de acordo com a conservação de energia, claro). O estado combinado do par de átomos pode estar em uma superposição, por exemplo:

[seu átomo:60 unidades; átomo do amigo:40 unidades] + [seu átomo:70 unidades; átomo do amigo:30 unidades].

Isto é um estado emaranhado dos dois átomos. Nem o seu átomo, nem do seu amigo, tem uma energia definida nesta superposição. No entanto, as propriedades dos dois átomos são correlacionadas por causa da conservação da energia:suas energias sempre somam 100 unidades.

Por exemplo, se você medir seu átomo e encontrá-lo em um estado com 70 unidades de energia, você pode ter certeza de que o átomo do seu amigo tem 30 unidades de energia. Você saberia disso mesmo que seu amigo nunca lhe revelasse nenhuma informação. E graças à conservação de energia, você saberia disso mesmo se seu amigo estivesse do outro lado da galáxia.

Não há nada de assustador nisso.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.