O emaranhamento quântico é o conceito mais estranho do universo. É a capacidade de dois ou mais objetos serem dependentes um do outro, sem nenhuma conexão mensurável entre eles, nem mesmo luz.
Mas também não é uma força mágica nem pseudocientífica. Aqui está como o emaranhamento realmente funciona, para que você possa julgar por si mesmo.
Definição
Emaranhamento é uma dependência entre duas medições quânticas.
Nota: nada conecta os dois, nem mesmo a luz viaja entre eles.
Tente você mesmo
Abaixo há uma demonstração de dois qubits emaranhados, compartilhados entre Alice e Bob. Tente “medir” os qubits deles para encontrar um padrão!
No measurements yet.
No measurements yet.
Whichever basis you measure in, Alice and Bob always come out opposite.
O que você descobriu? Aqui vão duas conclusões:
1. Se você medir na mesma direção nos dois qubits, eles sempre apontam em direções opostas. Como o qubit do Bob sabe o que Alice obteve, e vice-versa? Essa é a parte assustadora. Conseguimos provar que qubits emaranhados reais sabem mesmo, mesmo separados por enormes distâncias e medidos instantaneamente. Essa conexão é mais rápida que a luz, o que não deveria ser possível.
2. Uma vez medidos, qubits emaranhados deixam de estar emaranhados. Os qubits passam a devolver, de forma determinística, a mesma resposta uma e outra vez. Por isso, dá para enxergar o emaranhamento como um recurso consumível: uma vez gasto pela medição, acabou.
Como criamos emaranhamento na vida real?
Resposta curta: aproxime dois qubits.
Muitos tipos de qubits se emaranham naturalmente quando você os aproxima. Veja, por exemplo, dois elétrons no mesmo orbital, como os dois elétrons do hélio. Eles estão naturalmente emaranhados.
Outro exemplo: spins de elétrons em um computador quântico de átomos neutros. Nós os emaranhamos manobrando os átomos que contêm esses elétrons para aproximá-los, e depois disparando neles com um laser especial. Isso desencadeia uma interação chamada interação de Rydberg, que emaranha os dois.
Quem decide o que significa “para cima”?
Aqui está o ponto-chave. Não existe um “para cima” absoluto no universo. O seu para cima é diferente do para cima da Austrália. Então, quando dizemos que os dois átomos sempre vão apontar em direções opostas: opostas em qual eixo?
A resposta é a parte mais estranha de tudo isso. Acontece que: seu aparato de medição decide o que conta como para cima.
Quando você mede o spin de um átomo, nunca pode simplesmente ler a direção dele. O spin pode estar apontando para qualquer lugar do espaço, mas você só pode fazer uma pergunta: ele está alinhado com este eixo, ou contra ele? Você escolhe o eixo. A resposta vem como “para cima” ou “para baixo.” Esse é um limite rígido; nenhuma medição que já construímos contorna isso. Segundo a mecânica quântica, nem deveria ser possível. (Embora, quem sabe. Talvez você encontre um jeito.)
“Mas não está simplesmente predeterminado?”
Você pode dizer: talvez as direções tenham sido apenas fixadas quando aproximamos os átomos, e não quando os medimos. Talvez um átomo já fosse para cima e o outro já fosse para baixo. Talvez você só esteja descobrindo isso ao medir, e nada de maluco esteja acontecendo.
Parece a conclusão óbvia. Mas está errada, e aqui está o porquê.
De algum modo, depois que você mede o seu qubit, o outro qubit imediatamente se ajusta ao eixo em que você mediu. Se mediu para cima/para baixo, o outro fica para cima ou para baixo. O mesmo se você mediu de lado a lado. Sua intenção é de alguma forma transferida para o outro qubit.
Na verdade, o experimento que provou isso ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2022. Você pode ver um vislumbre disso na seção abaixo, mas se quiser entender o experimento por conta própria, vá para a próxima guia sobre a desigualdade CHSH.
Dito isso: é impossível realmente enviar informação dessa forma, porque você não decide para qual lado o qubit vai (para cima ou para baixo). Isso é puramente aleatório.
Mais rápido que a luz
Dá para medir isso acontecendo significativamente mais rápido do que a luz poderia viajar entre os dois átomos.
Em 2012, o grupo de Anton Zeilinger fez exatamente esse tipo de experimento entre duas das Ilhas Canárias: La Palma e Tenerife, a 143 km (cerca de 89 milhas) de distância. Eles emaranharam pares de fótons (que se comportam do mesmo jeito que os spins atômicos para esse fim), enviaram-nos pelo trajeto e mediram as duas pontas.
Os relógios deles estavam sincronizados em cerca de 3 nanossegundos. A luz leva cerca de 477.000 nanossegundos para fazer o trajeto. As correlações entre os fótons apareceram mais rápido do que qualquer sinal à velocidade da luz entre eles poderia explicar.
Experimentos desse tipo deram a Zeilinger o Prêmio Nobel de Física de 2022, junto com Alain Aspect e John Clauser, que tinham feito versões anteriores em 1982 e 1972.
Dá para usar isso para enviar mensagens?
Então, no fim, existem conexões entre coisas mais rápidas que a luz, e que não se importam com a distância. É como um buraco de minhoca. De algum modo, sua decisão sobre em qual direção medir afeta o parceiro.
Mas aqui está a última reviravolta: você não pode usar isso para enviar informação. A conexão é real, mas não pode carregar um sinal; não há como controlar o que a outra pessoa vê.
O porquê é o tema da próxima guia. Fique de olho.
Segure-os
Dois qubits que você pode segurar nas mãos.
O Qubi é um qubit modelo. Junte um par, rode as portas e construa, pelo tato, a intuição que esta guia acabou de mostrar.