Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger conduziram experimentos inovadores usando estados quânticos emaranhados, onde duas partículas se comportam como uma única unidade, mesmo quando separadas.
© J. Jarnestad (ilustração de um emaranhamento quântico)
Alain Aspect nasceu em 1947 em Agen, na França. Em 1983, terminou seu doutorado na universidade francesa Paris-Sud. Atualmente, ele é professor na Universidade Paris-Saclay e na Escola Politécnica, ambas também na França. John F. Clauser nasceu em 1942 em Pasadena, Califórnia, EUA. Seu doutorado foi cursado na Universidade Columbia, em Nova York. Agora, ele atua como pesquisador de física na J. F. Clauser e Associados. Anton Zeilinger nasceu em 1945 na Áustria. Ele estudou o doutorado na Universidade de Viena, onde atualmente atua como professor acadêmico.
Seus resultados abriram caminho para novas tecnologias baseadas em informações quânticas. Os efeitos inefáveis da mecânica quântica estão começando a encontrar aplicações. Existe agora um grande campo de pesquisa que inclui computadores quânticos, redes quânticas e comunicação criptografada quântica segura.
Um fator preponderante neste desenvolvimento é como a mecânica quântica permite que duas ou mais partículas existam no que é chamado de estado emaranhado. O que acontece com uma das partículas em um par emaranhado determina o que acontece com a outra partícula, mesmo que estejam distantes. O físico Erwin Schrödinger disse que o emaranhamento era a característica mais importante da mecânica quântica.
A física quântica é a área dedicada aos estudos de minúsculas partículas que formam o Universo e as interações que ocorrem entre elas. Uma comparação do estado emaranhado entre partículas seria com uma máquina que lança bolas brancas e pretas em direções opostas. Um indivíduo que está em um dos lados recebe uma bola branca e, então, conclui que a bola da posição oposta foi preta. Quando esta situação é analisada pelo aspecto da física quântica, a explicação se torna um tanto mais complexa. As bolas seriam as partículas e estariam em um par emaranhado porque, quando alguém recebe uma delas, já pode determinar qual o estado (cor) da outra. No entanto, para a física quântica, a propriedade destas bolas antes de lançadas seria, na realidade, cinza. É só quando uma das pessoas percebe que a bola recebida é preta que a cor da outra se modificaria, tornando-se branca.
Por muito tempo, a questão era se a correlação era porque as partículas em um par emaranhado continham variáveis ocultas, instruções que lhes diziam qual resultado deveriam dar em um experimento. Na década de 1960, John Stewart Bell desenvolveu a desigualdade matemática que leva seu nome. Isto afirma que, se houver variáveis ocultas, a correlação entre os resultados de um grande número de medições nunca excederá um determinado valor. No entanto, a mecânica quântica prevê que um certo tipo de experimento violará a desigualdade de Bell, resultando em uma correlação mais forte do que seria possível.
John Clauser desenvolveu as ideias de John Bell, levando a um experimento prático. Quando ele fez as medições, elas apoiaram a mecânica quântica violando claramente uma desigualdade de Bell. Isto significa que a mecânica quântica não pode ser substituída por uma teoria que usa variáveis ocultas.
Algumas brechas permaneceram após o experimento de John Clauser. Alain Aspect desenvolveu a configuração, usando-a de uma forma que fechou uma brecha importante. Ele foi capaz de mudar as configurações de medição depois que um par emaranhado deixou sua fonte, de modo que a configuração que existia quando eles foram emitidos não poderia afetar o resultado.
Usando ferramentas refinadas e uma longa série de experimentos, Anton Zeilinger começou a usar estados quânticos emaranhados. Entre outras coisas, seu grupo de pesquisa demonstrou um fenômeno chamado teletransporte quântico, que possibilita mover um estado quântico de uma partícula para outra à distância.
Estados quânticos emaranhados têm potencial para novas formas de armazenamento, transferência e processamento de informações.
Coisas interessantes acontecem se as partículas em um par emaranhado viajam em direções opostas e uma delas encontra uma terceira partícula de tal maneira que elas ficam emaranhadas. Então, elas entram em um novo estado compartilhado. A terceira partícula perde sua identidade, mas suas propriedades originais agora foram transferidas para a partícula do par original. Esta maneira de transferir um estado quântico desconhecido de uma partícula para outra é chamada de teletransporte quântico. Este tipo de experimento foi realizado pela primeira vez em 1997 por Anton Zeilinger e seus colegas.
Notavelmente, o teletransporte quântico é a única maneira de transferir informações quânticas de um sistema para outro sem perder nenhuma parte dele. É absolutamente impossível medir todas as propriedades de um sistema quântico e depois enviar a informação para um destinatário que queira reconstruir o sistema. Isto ocorre porque um sistema quântico pode conter várias versões de cada propriedade simultaneamente, onde cada versão tem uma certa probabilidade de aparecer durante uma medição. Assim que a medição é realizada, apenas uma versão permanece, ou seja, aquela que foi lida pelo instrumento de medição. As outras desapareceram e é impossível saber alguma coisa sobre elas. No entanto, propriedades quânticas totalmente desconhecidas podem ser transferidas usando o teletransporte quântico e aparecem intactas em outra partícula, mas ao preço de serem destruídas na partícula original.
Uma vez que isso foi demonstrado experimentalmente, o próximo passo foi usar dois pares de partículas emaranhadas. Se uma partícula de cada par for reunida de uma maneira particular, as partículas não perturbadas em cada par podem ficar emaranhadas, apesar de nunca terem estado em contato umas com as outras. Esta troca de emaranhamento foi demonstrada pela primeira vez em 1998 pelo grupo de pesquisa de Anton Zeilinger.
Pares de fótons emaranhados, partículas de luz, podem ser enviados em direções opostas através de fibras ópticas e funcionar como sinais em uma rede quântica. O emaranhamento entre dois pares torna possível estender as distâncias entre os nós em tal rede. Existe um limite para a distância que os fótons podem ser enviados através de uma fibra óptica antes de serem absorvidos ou perderem suas propriedades. Sinais de luz comuns podem ser amplificados ao longo do caminho, mas isso não funciona com pares emaranhados. Um amplificador tem que capturar e medir a luz, o que quebra o emaranhamento. No entanto, a troca de emaranhamento significa que é possível enviar o estado original ainda mais, transferindo-o por distâncias maiores do que seria possível.
Os estados quânticos emaranhados já foram demonstrados entre fótons que foram enviados através de dezenas de quilômetros de fibra óptica e entre um satélite e uma estação no solo. Em pouco tempo, pesquisadores de todo o mundo descobriram muitas novas maneiras de utilizar a propriedade mais poderosa da mecânica quântica.
A primeira revolução quântica nos forneceu transistores e lasers, mas agora estamos entrando em uma nova era graças às ferramentas contemporâneas para manipular sistemas de partículas emaranhadas.
Fonte: Royal Swedish Academy of Science
