O Prêmio Nobel de Física de 2022 reconheceu três cientistas que fizeram contribuições inovadoras na compreensão de um dos mais misteriosos de todos os fenômenos naturais:o emaranhamento quântico.
Em termos mais simples, o emaranhamento quântico significa que os aspectos de uma partícula de um par emaranhado dependem de aspectos da outra partícula, não importa quão distantes estejam ou o que esteja entre eles. Essas partículas podem ser, por exemplo, elétrons ou fótons, e um aspecto pode ser o estado em que está, como se está "girando" em uma direção ou outra.

A parte estranha do emaranhamento quântico é que quando você mede algo sobre uma partícula em um par emaranhado, você imediatamente sabe algo sobre a outra partícula, mesmo que elas estejam separadas por milhões de anos-luz. Essa estranha conexão entre as duas partículas é instantânea, aparentemente quebrando uma lei fundamental do universo. Albert Einstein chamou o fenômeno de “ação assustadora à distância”.

Tendo passado a maior parte de duas décadas conduzindo experimentos enraizados na mecânica quântica, acabei aceitando sua estranheza. Graças a instrumentos cada vez mais precisos e confiáveis ​​e ao trabalho dos vencedores do Nobel deste ano, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, os físicos agora integram fenômenos quânticos em seu conhecimento do mundo com um grau excepcional de certeza.

No entanto, mesmo até a década de 1970, os pesquisadores ainda estavam divididos sobre se o emaranhamento quântico era um fenômeno real. E por boas razões — quem ousaria contradizer o grande Einstein, que duvidava disso? Foi preciso o desenvolvimento de novas tecnologias experimentais e pesquisadores ousados ​​para finalmente acabar com esse mistério.

Existindo em vários estados ao mesmo tempo

Para realmente entender a assombro do emaranhamento quântico, é importante primeiro entender a superposição quântica. A superposição quântica é a ideia de que as partículas existem em vários estados ao mesmo tempo. Quando uma medição é realizada, é como se a partícula selecionasse um dos estados na superposição.

Por exemplo, muitas partículas têm um atributo chamado spin que é medido como "para cima" ou "para baixo" para uma determinada orientação do analisador. Mas até que você meça o spin de uma partícula, ela existe simultaneamente em uma superposição de spin para cima e para baixo.

Existe uma probabilidade associada a cada estado, e é possível prever o resultado médio de muitas medições. A probabilidade de uma única medição estar para cima ou para baixo depende dessas probabilidades, mas é imprevisível.

Embora muito estranho, a matemática e um grande número de experimentos mostraram que a mecânica quântica descreve corretamente a realidade física.

Duas partículas emaranhadas

A assombro do emaranhamento quântico emerge da realidade da superposição quântica e ficou claro para os fundadores da mecânica quântica que desenvolveram a teoria nas décadas de 1920 e 1930.

Para criar partículas emaranhadas, você essencialmente divide um sistema em dois, onde a soma das partes é conhecida. Por exemplo, você pode dividir uma partícula com spin zero em duas partículas que necessariamente terão spins opostos para que sua soma seja zero.

Em 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen publicaram um artigo que descreve um experimento mental projetado para ilustrar um aparente absurdo de emaranhamento quântico que desafiava uma lei fundamental do universo.

Uma versão simplificada desse experimento mental, atribuída a David Bohm, considera o decaimento de uma partícula chamada méson pi. Quando esta partícula decai, ela produz um elétron e um pósitron que têm spins opostos e estão se afastando um do outro. Portanto, se o spin do elétron for medido para cima, então o spin medido do pósitron só poderia ser para baixo e vice-versa. Isso é verdade mesmo que as partículas estejam a bilhões de quilômetros de distância.

Isso seria bom se a medição do spin do elétron estivesse sempre para cima e o spin medido do pósitron estivesse sempre para baixo. Mas por causa da mecânica quântica, o spin de cada partícula é tanto para cima quanto para baixo até que seja medido. Somente quando a medição ocorre é que o estado quântico do spin "colapsa" para cima ou para baixo - colapsando instantaneamente a outra partícula no spin oposto. Isso parece sugerir que as partículas se comunicam entre si através de alguns meios que se movem mais rápido que a velocidade da luz. Mas de acordo com as leis da física, nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz. Certamente o estado medido de uma partícula não pode determinar instantaneamente o estado de outra partícula na extremidade do universo?

Físicos, incluindo Einstein, propuseram uma série de interpretações alternativas do emaranhamento quântico na década de 1930. Eles teorizaram que havia alguma propriedade desconhecida – apelidada de variáveis ​​ocultas – que determinava o estado de uma partícula antes da medição. Mas, na época, os físicos não tinham a tecnologia nem a definição de uma medida clara que pudesse testar se a teoria quântica precisava ser modificada para incluir variáveis ​​ocultas.

Refutando uma teoria

Demorou até a década de 1960 antes que houvesse qualquer pista para uma resposta. John Bell, um brilhante físico irlandês que não viveu para receber o Prêmio Nobel, concebeu um esquema para testar se a noção de variáveis ​​ocultas fazia sentido.

Bell produziu uma equação agora conhecida como desigualdade de Bell que é sempre correta — e apenas correta — para teorias de variáveis ​​ocultas, e nem sempre para a mecânica quântica. Assim, se a equação de Bell não for satisfeita em um experimento do mundo real, as teorias de variáveis ​​ocultas locais podem ser descartadas como uma explicação para o emaranhamento quântico.

Os experimentos dos ganhadores do Prêmio Nobel de 2022, particularmente os de Alain Aspect, foram os primeiros testes da desigualdade de Bell. Os experimentos usaram fótons emaranhados, em vez de pares de um elétron e um pósitron, como em muitos experimentos mentais. Os resultados descartaram conclusivamente a existência de variáveis ​​ocultas, um atributo misterioso que predeterminaria os estados de partículas emaranhadas. Coletivamente, esses e muitos experimentos de acompanhamento justificaram a mecânica quântica. Objetos podem ser correlacionados em grandes distâncias de maneiras que a física antes da mecânica quântica não pode explicar.

É importante ressaltar que também não há conflito com a relatividade especial, que proíbe a comunicação mais rápida que a luz. O fato de as medições em grandes distâncias serem correlacionadas não implica que a informação seja transmitida entre as partículas. Duas partes distantes realizando medições em partículas emaranhadas não podem usar o fenômeno para transmitir informações mais rapidamente que a velocidade da luz.

Hoje, os físicos continuam pesquisando o emaranhamento quântico e investigando potenciais aplicações práticas. Although quantum mechanics can predict the probability of a measurement with incredible accuracy, many researchers remain skeptical that it provides a complete description of reality. One thing is certain, though. Much remains to be said about the mysterious world of quantum mechanics.