Entrelaçamento quântico entre partículas não é instantâneo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/10/2024

Um átomo é atingido por um pulso de laser, arrancando um elétron do átomo, enquanto outro elétron é deslocado para um estado com energia mais alta - ambos ficam entrelaçados.
[Imagem: TU Wien]

É muito rápido ou é instantâneo?

A teoria quântica descreve eventos que ocorrem em escalas de tempo extremamente curtas. No passado, quando ainda não tínhamos tecnologia para medir eventos em escalas temporais tão reduzidas, esses eventos eram considerados "instantâneos".

Estamos falando, por exemplo, de que um elétron orbitando o núcleo de um átomo é repentinamente arrancado por um fóton de luz que lhe transfere energia suficiente; ou de duas partículas que colidem e, no momento seguinte, estão quase magicamente entrelaçadas, o que significa que tudo o que acontecer a uma imediatamente afetará a outra, qualquer que seja a distância a que elas sejam levadas.

Hoje, contudo, os recordes de menor tempo já medido não param de cair, e já dominamos com alguma maestria tempos na casa dos attossegundos, ou 10^-18 segundo - 1 attossegundo está para 1 segundo assim como 1 segundo está para a idade do Universo.

Agora, físicos da Áustria e da China conseguiram estabelecer limites temporais mais estritos para o "nascimento" justamente do entrelaçamento quântico, aquele fenômeno que Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", mas que hoje está na base do desenvolvimento dos computadores quânticos, além de várias outras tecnologias.

Pelo melhor do que sabemos hoje, a troca de informações entre partículas entrelaçadas é instantânea, mas físicos acabam de descobrir que o "nascimento do entrelaçamento" requer um tempo mensurável.

Nos experimentos com partículas quânticas entrelaçadas, os cientistas geralmente estão interessados em manter esse entrelaçamento quântico pelo maior tempo possível - por exemplo, se quiserem usá-lo para criptografia quântica ou para os computadores quânticos. "Nós, por outro lado, estamos interessados em outra coisa - em descobrir como esse emaranhamento se desenvolve em primeiro lugar e quais efeitos físicos desempenham um papel em escalas de tempo extremamente curtas," disse a professora Iva Brezinová, da Universidade de Tecnologia de Viena.

No tempo quântico, você não precisa esperar o tempo passar.
[Imagem: Magdalena Zych/Igor Pikovski]

Nascimento do entrelaçamento quântico

Os pesquisadores simularam átomos atingidos por um pulso de laser extremamente intenso e de alta frequência, o que faz com que um elétron seja arrancado do átomo e atirado para longe. Se a luz for forte o suficiente, é possível que um segundo elétron do mesmo átomo também seja afetado: Ele pode ser deslocado para um estado com energia mais alta e então orbitar o núcleo atômico em uma rota diferente.

"Podemos mostrar que esses dois elétrons agora estão quanticamente entrelaçados," disse o professor Joachim Burgdorfer. "Você só pode analisá-los juntos - e pode realizar uma medição em um dos elétrons e aprender algo sobre o outro elétron ao mesmo tempo."

A novidade é que a equipe idealizou um jeito de fazer a medição que combina dois feixes de laser diferentes, criando um protocolo que permite detectar com altíssima precisão o "momento de nascimento" do entrelaçamento quântico, ou seja, quando o elétron voa para longe, deixando o átomo, o que está diretamente relacionado ao estado do elétron que fica para trás - essas duas propriedades são quanticamente entrelaçadas.

"Isso significa que o tempo de nascimento do elétron que voa para longe não é conhecido em princípio. Você poderia dizer que o próprio elétron não sabe quando ele deixou o átomo," continuou Burgdorfer. "Ele está em uma superposição física quântica de diferentes estados. Ele deixou o átomo em um ponto anterior e posterior no tempo."

Não é possível responder qual ponto no tempo "realmente" a coisa aconteceu - dentro da física quântica, uma resposta "real" para essa pergunta simplesmente não existe. Mas a resposta está ligada fisicamente ao estado - também indeterminado - do elétron que ficou com o átomo: Se o elétron restante estiver em um estado de energia mais alta, então o elétron que voou para longe provavelmente foi arrancado em um ponto inicial no tempo; se o elétron restante estiver em um estado de energia mais baixa, então o "tempo de nascimento" do elétron livre que voou para longe provavelmente foi posterior.

E a equipe determinou que esse momento deve ficar, em média, em torno de 232 attossegundos depois que o feixe de luz atingiu o átomo.

Aqui o tempo é definido, Mas existem também variáveis fora do tempo, nem no passado e nem no futuro.
[Imagem: Université Libre de Bruxelles]

Não é "instantâneo"

Este é um período de tempo quase inimaginavelmente curto, mas é diferente de zero. E este trabalho mostra que não é suficiente considerar os efeitos quânticos como "instantâneos": Correlações importantes tornam-se visíveis quando se consegue resolver as escalas de tempo ultracurtas desses efeitos.

"O elétron não salta do átomo. É uma onda que sai do átomo, por assim dizer - e isso leva um certo tempo," disse Brezinová. "É precisamente durante essa fase que ocorre o entrelaçamento, cujo efeito pode então ser medido com precisão mais tarde observando os dois elétrons."

"No entanto, essas diferenças não só podem ser calculadas, mas também medidas em experimentos. Já estamos em negociações com equipes de pesquisa que querem provar tais entrelaçamentos ultrarrápidos," acrescentou Burgdorfer.

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