O entrelaçamento quântico é um dos fenômenos tribizarros vistos quando as coisas ficam pequenas, ou dentro do reino quântico. Quando duas ou mais partículas se unem de uma certa maneira, não importa quão distantes estejam no espaço, seus estados permanecem ligados. Isso significa que eles compartilham um estado quântico comum e unificado. Assim, as observações de uma das partículas podem fornecer automaticamente informações sobre as outras partículas emaranhadas, independentemente da distância entre elas. E qualquer ação em uma dessas partículas invariavelmente impactará as outras no sistema entrelaçado.
Os físicos desenvolveram as ideias fundamentais por trás do entrelaçamento enquanto trabalhavam na mecânica do mundo quântico nas primeiras décadas do século 20. Eles descobriram que, para descrever adequadamente os sistemas subatômicos, eles tinham que usar algo chamado estado quântico.
No mundo quântico, nada é conhecido com certeza; por exemplo, você nunca sabe exatamente onde um elétron em um átomo está localizado, apenas onde ele pode estar. Um estado quântico resume a probabilidade de medir uma certa propriedade de uma partícula, como sua posição ou momento angular. Assim, por exemplo, o estado quântico de um elétron descreve todos os lugares em que você pode encontrá-lo, juntamente com as probabilidades de encontrar o elétron nesses locais.
Outra característica dos estados quânticos é que eles podem ser correlacionados com outros estados quânticos, o que significa que as medições de um estado podem afetar o outro. Em um artigo de 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen examinaram como os estados quânticos fortemente correlacionados interagem entre si. Eles descobriram que quando duas partículas estão fortemente correlacionadas, elas perdem seus estados quânticos individuais e, em vez disso, compartilham um único estado unificado. Outra maneira de pensar sobre isso é que um único conceito matemático pode descrever todas as partículas simultaneamente, independentemente de suas propriedades individuais. Esse estado unificado se tornaria conhecido como entrelaçamento quântico.
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| Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen |
O primeiro físico a usar a palavra "entrelaçamento" foi Erwin Schrödinger, um dos fundadores da mecânica quântica . Ele descreveu o entrelaçamento como o aspecto mais essencial da mecânica quântica, dizendo que sua existência é um afastamento completo das linhas clássicas de pensamento.
Como Einstein, Podolsky e Rosen descobriram, o entrelaçamento parece instantâneo: uma vez que você tenha conhecimento de um estado quântico, você saberá automaticamente o estado quântico de quaisquer partículas entrelaçadas. Em princípio, você poderia colocar duas partículas entrelaçãdas em extremidades opostas da galáxia e ainda ter esse conhecimento instantâneo, que parece violar o limite da velocidade da luz.
Esse resultado é conhecido como o paradoxo EPR (abreviação de Einstein, Podolsky e Rosen), de acordo com a American Physical Society - um efeito que Einstein apelidou de "ação assustadora à distância". Ele usou o paradoxo como evidência de que a teoria quântica estava incompleta. Mas os experimentos confirmaram repetidamente que as partículas entrelaçadas influenciam umas às outras, independentemente da distância, e a mecânica quântica permanece confirmar isto até hoje.
Não há uma solução geralmente aceita para o paradoxo. No entanto, embora os sistemas entrelaçamento não mantenham a localidade (o que significa que uma parte de um sistema entrelaçamento pode influenciar imediatamente uma partícula distante), eles respeitam a causalidade, o que significa que os efeitos sempre têm causas. Um observador numa partícula distante não sabe se o observador local perturbou o sistema entrelaçado e vice-versa. Eles devem trocar informações entre si não mais rápido que a velocidade da luz para confirmar.
Em outras palavras, os limites impostos pela velocidade da luz ainda são válidos para sistemas entrelaçados. Embora você possa saber o estado de uma partícula distante, você não pode comunicar essa informação mais rápido que a velocidade da luz.
Há muitas maneiras de entrelaçar partículas. Um método é resfriar as partículas e colocá-las próximas o suficiente para que seus estados quânticos (representando a incerteza na posição) se sobreponham, tornando impossível distinguir uma partícula da outra.
Outra maneira é confiar em algum processo subatômico, como decaimento nuclear, que produz automaticamente partículas entrelaçadas. De acordo com a NASA , também é possível criar pares de fótons entrelaçados, ou partículas de luz, dividindo um único fóton e gerando um par de fótons no processo, ou misturando pares de fótons em um cabo de fibra óptica.
Talvez a aplicação mais usada do entrelaçamento quântico seja na criptografia. De acordo com a Caltech Magazine , nesse cenário, um emissor e um receptor constroem um link de comunicação seguro que inclui pares de partículas entrelaçadas. O remetente e o destinatário usam as partículas entrelaçadas para gerar chaves privadas, conhecidas apenas por eles, que podem usar para codificar suas mensagens. Se alguém interceptar o sinal e tentar ler as chaves privadas, o entrelaçamento se rompe, pois a medição de uma partícula entrelaçada altera seu estado. Isso significa que o remetente e o destinatário saberão que suas comunicações foram comprometidas.
Outra aplicação do entrelaçamento é a computação quântica, na qual um grande número de partículas é entrelaçada, permitindo que trabalhem em conjunto para resolver alguns problemas grandes e complexos. Por exemplo, um computador quântico com apenas 10 qubits (bits quânticos) pode representar a mesma quantidade de memória que 2^10 bits tradicionais.
Ao contrário do uso usual da palavra "teletransporte", o teletransporte quântico não envolve o movimento ou a tradução das próprias partículas. Em vez disso, no teletransporte quântico, as informações sobre um estado quântico são transportadas a grandes distâncias e replicadas em outro lugar, de acordo com a Nature News.
É melhor pensar no teletransporte quântico como a versão quântica da comunicação tradicional.
Primeiro, um emissor prepara uma partícula para conter a informação (ou seja, o estado quântico) que deseja transmitir. Então, eles combinam esse estado quântico com um de um par de partículas entrelaçadas. Isso causa uma mudança correspondente no outro par entrelaçado, que pode estar a uma distância arbitrária.
O receptor então registra a mudança no parceiro entrelaçado do par. Finalmente, o emissor deve transmitir, por meio de canais normais (isto é, limitados pela velocidade da luz), a alteração original feita no par entrelaçado.
Isso permite que o receptor reconstrua o estado quântico no novo local.
Pode parecer muito trabalho transmitir uma mísera informação, mas o teletransporte quântico permite uma comunicação completamente segura. Se um bisbilhoteiro interceptar o sinal, ele quebrará o emaranhamento, que seria revelado quando o receptor comparasse o sinal tradicional com as mudanças feitas no par entrelaçado.