Criados átomos gêmeos, unidos até o fim do Universo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/03/2021

Este é o chip que sacramenta o casamento dos átomos, que se tornam intrinsecamente interligados, qualquer que seja a distância que os separe.
[Imagem: F. Borselli et al. - 10.1103/PhysRevLett.126.083603]

Entrelaçamento de átomos

Se jogarmos duas moedas, o resultado de um lançamento não tem nada a ver com o resultado do outro: As chances são de 50% de tirar cara ou coroa mas, se você tirar cara, não significa que agora haverá 100% de chance de tirar coroa; as moedas são objetos independentes.

No mundo da física quântica, as coisas são diferentes: as partículas quânticas podem ser entrelaçadas e, nesse caso, não podem mais ser consideradas como objetos individuais independentes, só podendo ser descritas como um sistema conjunto.

Durante anos, foi possível produzir fótons entrelaçados - pares de partículas de luz que se movem em direções completamente diferentes, mas ainda estão associados um ao outro. Têm havido resultados espetaculares, por exemplo, no campo do teletransporte quântico e da criptografia quântica.

Agora, Filippo Borselli e seus colegas da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria, conseguiram produzir pares de átomos entrelaçados - e não apenas átomos que são emitidos em todas as direções, mas feixes bem definidos de átomos.

Átomos gêmeos

Existem diferentes métodos de criação de entrelaçamento quântico. Por exemplo, cristais especiais podem ser usados para criar pares de fótons entrelaçados: Um fóton com alta energia é convertido pelo cristal em dois fótons de baixa energia - isso é chamado de "conversão descendente" e permite que um grande número de pares de fótons entrelaçados seja produzido de forma rápida e fácil.

Entrelaçar átomos, no entanto, é muito mais difícil. Átomos individuais podem ser entrelaçados usando operações de laser complicadas, ou você pode esperar para produzi-los por processos aleatórios, o que não é prático.

A nova técnica permite que, a partir de agora, pares de átomos gêmeos sejam produzidos de maneira controlada. Para isso, uma nuvem de átomos ultrafria é contida por forças eletromagnéticas dentro de um minúsculo chip. "Nós manipulamos esses átomos para que eles não acabem no estado com a energia mais baixa possível, mas em um estado de energia mais alta," conta o professor Jörg Schmiedmayer.

A partir desse estado excitado, os átomos retornam espontaneamente ao estado fundamental com a energia mais baixa.

No entanto, a armadilha eletromagnética é construída de tal forma que esse retorno ao estado fundamental é fisicamente impossível para um único átomo - isso violaria a conservação do momento.

Os átomos, portanto, só podem decair para o estado fundamental como pares e voar em direções opostas, de modo que seu momento total permaneça zero. Isso cria átomos gêmeos que se movem exatamente na direção especificada pela geometria da armadilha eletromagnética no chip.

Não é possível mexer com um dos átomos entrelaçados sem afetar imediatamente o outro.
[Imagem: F. Borselli et al. - 10.1103/PhysRevLett.126.083603]

Experimento da dupla fenda

A armadilha magnética consiste em dois guias de ondas paralelos. O par de átomos gêmeos pode ter sido criado no guia de onda esquerdo ou direito - ou, como a física quântica permite, em ambos simultaneamente.

"É como o conhecido experimento da dupla fenda, em que você atira uma partícula em uma parede com duas fendas," explica Schmiedmayer. "A partícula pode passar pela fenda esquerda e direita ao mesmo tempo, atrás da qual interfere em si mesma, e isso cria padrões de onda que podem ser medidos."

O mesmo princípio pode ser usado para provar que os átomos gêmeos são de fato partículas entrelaçadas: Somente se você medir todo o sistema - ou seja, os dois átomos ao mesmo tempo - você pode detectar as superposições em forma de onda típicas dos fenômenos quânticos. Se, por outro lado, você se restringe a uma única partícula, a superposição de onda desaparece completamente.

Agora que foi provado que nuvens de átomos ultrafrias podem de fato ser usadas para produzir átomos gêmeos entrelaçados de maneira confiável, o caminho se abre para outros experimentos quânticos usando esses pares de átomos - semelhantes aos que já foram possíveis com pares de fótons.

Se isso vai nos permitir fazer coisas novas ou melhorar o que já fazemos com fótons? Teremos que esperar os resultados para saber.

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