Físicos criam ligação quântica entre fotões que não existem em simultâneo.

Medição exacta do formato dos fotões, crédito IOP- Institute of Physics Reino Unido.

Um pouco antes da descoberta da mecânica quântica, as pessoas já tinham percebido que a relação entre as ondas de luz e os fotões impunha o seu carácter estatístico. O que elas não percebem claramente, no entanto, foi que a função de onda…
[Podem ver melhor o conceito de função-onda aqui.]
…fornece informações sobre a probabilidade de um fotão estar numa determinada posição mas não fornece o número provável de fotões naquele lugar. A importância da distinção pode ser esclarecida da seguinte maneira.

Suponhamos que temos um feixe de luz composto por um grande número de fotões que se dividiram em 2 componentes de igual intensidade.

Partindo do pressuposto que o feixe está relacionado com o número provável de fotões, deveríamos ter metade do número total em cada componente.

Se os dois componentes interferirem, deveremos conseguir que um dos fotões dum dos componentes seja capaz de interferir com um fotão do outro. Às vezes, esses dois fotões teriam de se aniquilar uns aos outros e noutras vezes eles teriam que produzir quatro fotões. Isto entraria em contradição com a conservação de energia.

A nova teoria, que liga a função de onda com as probabilidades para um fotão, ultrapassa esta dificuldade ao fazer com que cada fotão vá parcialmente para cada um dos dois componentes. Cada fotão interfere então só consigo próprio. A interferência entre dois fotões diferentes nunca ocorre.

– Paul Dirac, os princípios da Mecânica Quântica, quarta edição, capítulo 1

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Até poderia ter ido mais longe, Paul Dirac, mas para explicação de evento tão bizarro foi, no seu tempo, uma verdadeira revolução nas ciências.

De facto um fotão vai em simultâneo por 2 locais, atravessa ao mesmo tempo 2 fendas e interfere consigo próprio, não com outros fotões, resultando num padrão de interferência que resulta não num, nem em dois, mas pelo menos em 3 feixes.

Se observarmos com um pouco mais de atenção as ondas na praia, podemos verificar que uma onda inicial, dada uma particular configuração da praia, pode interferir consigo própria e resultar em ondas mais fortes ou em acalmia por anulação mútua.

Os fotões, como todas as partículas subatómicas, são mais parecidos com as ondas do mar do que com as partículas do mundo do muito grande, como por exemplo o são os grãos de areia da mesma praia.

Preferi dar-vos esta introdução e esta analogia para vos preparar mentalmente para uma descoberta espantosa anunciada pelos físicos de partículas após uma deveras curiosa experiência.

É muito natural que o vocabulário vos cause confusão e é perfeitamente admissível que não entendam a experiência.

Aqui podemos fazer uma pequena pausa. Releiam a questão explicada por Paul Dirac.

Pode-se entender, até porque está muito bem explicada, mas pode-se compreender a razão fundamental para a luz que vimos todos os dias ter um comportamento, convenhamos, tão estranho, tão esquisito?

Não é fácil, mas podemos lá chegar caso observemos com muita atenção, e tomemos nota (por exemplo capturando fotões graficamente pela photon-graphia, vulgo tirando fotografias) as ondas do mar quando vamos à praia.

Se formos à praia também só para brincar e passarmos um excelente dia com a família é muito provável que essa seja uma decisão muito acertada tanto no tempo como na posição, e a praia e as suas ondas prosseguirão, independentemente de as observarmos ou não, o seu comportamento quântico.

Aqui muita, e boa, gente, esbarra na questão da “ondícula”, de a luz se comportar como uma onda e como uma partícula ao mesmo tempo.

Então, as ondas da praia não são constituídas por gotas de água, por aí podemos ver que o conjunto de gotas (um conjunto com um número muito grande) forma as ondas.

Afinal esta parte até é fácil, basta reflectir um pouco nela. E nós vamos à praia é para descontrair. E fazemos muito bem.

Aliás será até aconselhável um mergulho em água fresquinha antes do relermos o título desta descoberta.
Físicos criam ligação quântica entre fotões que não existem em simultâneo.

Agora é que estes Físicos nos estão mesmo a levar à certa, como pode ser isto possível? Estarão a gozar connosco?

Os Físicos já sabiam que a mecânica quântica permite uma ligação subtil entre partículas quânticas que se designa por entrelaçamento, sob a qual medir uma partícula pode ajustar instantaneamente a condição da outra, que até essa medição estava incerta, já que a tarefa de medição pode definir essa condição (ou “estado”) duma outra partícula, mesmo que estejam posicionadas a anos-luz de distância uma da outra.

Agora, os cientistas em Israel demonstraram que se pode emaranhar dois fotões que nem sequer existem, e ao mesmo tempo.

“É fantástico, isto é demais”, diz Jeremy O’Brien, investigador na Universidade de Bristol, no Reino Unido, que não estava envolvido no trabalho. Esse entrelaçamento (ou emaranhamento, mesma coisa) separado no tempo é previsto pela teoria quântica padrão,  “mas não é certamente muito apreciado, e eu não sei se ele foi claramente articulado em ocasião anterior.”

O emaranhamento é uma espécie de ordem que se esconde dentro da incerteza da teoria quântica. Suponha que tem uma partícula quântica da luz, ou fotão. Ele pode ser polarizado de tal modo que se movimenta na vertical ou na horizontal. O reino quântico também é obscurecido com a incontornável incerteza, e, graças a tal incerteza quântica, um fotão pode ser polarizado verticalmente e horizontalmente, ao mesmo tempo. Se, em seguida, se medir o fotão, no entanto, vamos encontrá-lo ou polarizado horizontalmente ou verticalmente, dado que a sobreposição dos 2 estados (a polarização é um estado) aleatoriamente “colapsa” numa maneira ou noutra.

Fica definido se ficou vertical ou horizontal, aqui colapsar significa ficar definido.

Para ser mais claro, fica definido que um fotão cai, colapsa, numa polarização, digamos, vertical, e o outro, como se estivesse em espírito de contradição, cai no outro disponível, na polarização horizontal.

Para se evitar os completos disparates que por vezes se leem a propósito do emranhamento quântico sem qualquer conhecimento de causa, pois é isso mesmo, o emaranhamento é causa e não efeito ( fonte: Leonard Susskind lectures on Entaglement, Standford University).

No entanto, o disparate é válido em poesia ou nas outras artes, mas o emaranhamento nada tem que ver com consciência, telepatia ou quaisquer curas em sede de saúde. Isso pura e simplesmente chama-se vigarice.

O Emaranhamento pode ocorrer caso se tiver dois fotões. Cada um pode ser colocado num estado vertical e horizontal incerto. No entanto, os fotões podem ser emaranhados de modo a que as suas polarizações são correlacionadas, mesmo enquanto eles permanecem indeterminados.

Por exemplo, ao medir-se o primeiro fotão e se achar que este está horizontalmente polarizado, fica-se a saber que o outro fotão instantaneamente caiu no estado vertical e vice-versa, não importando quão longe ele esteja.

Dado que o colapso acontece instantaneamente, Albert Einstein apelidou o efeito de “acção fantasmagórica à distância” (Susskind contraria Einstein e classifica-o como Causa).

Não obstante, o emaranhamento não viola a relatividade: é impossível controlar o resultado da medição do primeiro fotão, de tal modo que o elo quântico não pode ser usado para enviar uma mensagem mais rápida do que a velocidade da luz.

Agora, Eli Megidish, Hagai Eisenberg, e os seus colegas da Universidade Hebraica de Jerusalém emaranharam dois fotões que não existem ao mesmo tempo.

Eles começaram com um esquema conhecido como troca de emaranhamento. Para começar, os cientistas dispararam, por 2 vezes, uma luz dum laser sobre um cristal especial a fim de gerarem dois pares de fotões emaranhados, par 1 e 2 e par 3 e 4.

No início, os fotões 1 e 4 não estão emaranhados. Mas podem ficar emaranhados, caso os físicos apliquem o truque certo com os fotões 2 e 3.

A chave é que a medição “projecta” uma partícula para um estado definido – assim como a medição de um fotão o desmorona para uma das polarizações, a vertical ou a horizontal.

Assim, mesmo que os fotões 2 e 3 comecem não emaranhados, os físicos podem criar uma “medida projectiva” que pergunta: são os dois estados sobrepostos um de dois estados emaranhados distinguíveis um do outro? Essa medição emaranha os fotões, ao mesmo tempo que os absorve e destrói. Se os cientistas seleccionarem apenas os eventos em que os fotões 2 e 3 acabam por se definir, digamos, no primeiro estado emaranhado, então a medição também emaranha os fotões 1 e 4. (Veja o diagrama, em baixo e leia uma errata na sua legenda)

O efeito é um pouco como a junção de dois pares de engrenagens para se formar uma cadeia de quatro rodas dentadas: o emaranhamento das duas engrenagens internas estabelece uma ligação entre as duas engrenagens exteriores.

Engrenagens numa caixa de velocidades especificada para um carro de Fórmula 1.

Nos últimos anos, os físicos têm jogado com o calendário no esquema. Por exemplo, no ano passado, a equipa demonstrou que o emaranhamento de troca ainda funciona, mesmo se eles fizerem a medição projectiva após a medição das polarizações dos fotões 1 e 4.

Agora, Eisenberg e os seus colegas mostraram que os fotões 1 e 4 não têm sequer que existir ao mesmo tempo, como relatam num artigo publicado no Physical Review Letters.

Para o fazer, primeiro geraram o par emaranhado 1 e 2 e mediram a polarização a uma distância certa. Só depois geraram o par emaranhado 3 e 4 e realizarem a medição projectiva chave.

Finalmente, mediram a polarização do fotão 4. E mesmo que os fotões 1 e 4 nunca tenham coexistido, as medições mostram que as suas polarizações ainda assim acabam emaranhadas.

Eisenberg sublinha que na relatividade o tempo é medido de forma diferente por observadores que viajam em velocidades diferentes.

Sem embargo da Relatividade, nenhum observador veria dois fotões coexistentes.

A experiência mostra que não é estritamente lógico pensar no emaranhamento como uma propriedade física tangível, diz-nos Eisenberg. “Não existe um momento no tempo em que os dois fotões coexistam”, e prossegue, “então não se pode dizer que o sistema está emaranhado neste ou naquele momento.”

No entanto, o fenómeno definitivamente existe. Anton Zeilinger, um físico da Universidade de Viena, concorda que esta experiência demonstra quão escorregadios são os conceitos da mecânica quântica. “É muito catita porque mostra mais ou menos que os eventos quânticos estão fora das nossas noções comuns de tempo e de espaço.”

Então, e o que poderá daqui resultar para aplicações práticas?

Os Físicos esperam poder criar redes quânticas em que os protocolos como o emaranhamento de troca serão usados ​​para gerar links quânticos entre os utilizadores distantes e transmitir (mas mais lento do que a luz) comunicações secretas indecifráveis.

O novo resultado sugere que, quando da partilha de pares de fotões emaranhados numa rede desse tipo, o utilizador não teria que esperar para ver o que acontece com os fotões enviados e descarregados antes de poder manipular os que manteve em espera, diz Eisenberg.

Zeilinger diz que o resultado pode ter outras aplicações inesperadas: “Esse tipo de coisa abre a mentalidade das pessoas e de repente alguém tem uma ideia de usá-lo em computação quântica ou algo assim.”

Intemporal. No entrelaçamento padrão de troca (em cima), o entrelaçamento (sombra azul) é transferido para os fotões 1 e 4, fazendo uma medição nos fotões 2 e 3. A nova experiência demonstra que o sistema ainda funciona mesmo se um fotão for destruído antes do fotão 4 ser gerado.