Entrelaçamento quântico: da Natureza para um Satélite de fotões.

A República Popular da China lidera a investigação sobre sistemas entrelaçados de encriptação de dados e de programação informática super-densa.

Após uma longa preparação, a China enviou um satélite artificial para testar o entrelaçamento de fotões à distância.

Foto do Satélite QUESS.
Créditos: Cai Yang/Xinhua, Nature

Este teste, considerado um Teste de Bell (que ultrapassa os limites das variáveis escondidas e releva a natureza aleatória destes sistemas), foi um êxito confirmado pelos parceiros oficiais austríacos desta epopeia de Física de Partículas.

A missão do satélite QUESS/Micius, acrónimo de Quantum Experiments at Space Scales e homenagem a Micius (cientista chinês do séc. 5 a.C.), com um orçamento de 100 milhões de USD, é de facto uma colaboração entre as Academias de Ciências dos dois países.

A China e a Áustria obtiveram assim o recorde mundial de comunicação de sistemas entrelaçados a uma distância de 1.200 Km.

Em contexto, a China aposta agora na exploração do espaço para a investigação básica, lançando este satélite emissor de fotões entrelaçados, um outro para tentar detectar a matéria-escura e uma terceira nave para detectar raios-X numa banda específica. É notória esta mudança de prioridades, após uma fase mais focada na robótica e nas missões tripuladas por seres humanos.


Da Natureza para a órbita da Terra numa nave espacial.

O entrelaçamento quântico existe na Natureza, por exemplo na proteína FMO (Fenna-Matthews-Olson), que suporta o mecanismo da fotossíntese, e é só através do entrelaçamento (ou emaranhamento, mesma coisa) quântico que as plantas conseguem converter de forma eficiente a energia dos fotões emaranhados (usualmente da luz do Sol) em energia química material.

Todos os átomos com multi-electrões nas suas nuvens de orbitais são constituídos por electrões entrelaçados.

Os sistemas entrelaçados estão na base fundamental da Natureza das interacções entre a energia radiante e a matéria. Incluindo a realidade emergente destes sistemas quando aquecemos as mãos numa lareira, pela acção da entropia do entrelaçamento de pares ou dos ensembles (conjuntos com propriedades e leis muito específicos) das partículas sub-atómicas.

O satélite QUESS/Micius recorre a um laser que envia um feixe de fotões entrelaçados, e este feixe foi dividido de forma a gerar pares de fotões que partilham um estado quântico comum, em específico a sua polarização.

Os fotões assim entrelaçados foram disparados a partir de 2 telescópios instalados a bordo que afunilaram o feixe para este ser detectado em 2 observatórios na Terra.

Um dos detectores está localizado no norte do planalto tibetano, em Delingha, e o outro a 1.203 Km de distância, a sul, no Observatório Gaomeigu, em Lijiang.

Impressão artística das Experiências Quânticas à Escala Espacial.
Créditos: NSSC.

O teste de Bell exigia que os fotões continuassem entrelaçados nos detectores, e assim foi.

Os investigadores dispunham duma janela de 5 minutos por noite, quando o satélite, que evoluiu numa órbita de 500 Km, estava à vista dos dois observatórios.

Ao fim de algumas semanas após o lançamento, para calibragem e estabilização térmica da nave, lograram emitir 1 par de fotões entrelaçados por segundo – o que, se parece pouco, é uma produção 10 vezes mais elevada do que se esperava.


A experiência crucial.

Pan-Jian Wei, Físico da Universidade de Ciências e de Tecnologia da China, em Hefei, confirmou que a experiência crucial ocorreu no final de 2016.

E afirmou que “estamos muito contentes porque todo o sistema funcionou correctamente.”

O anterior recorde era de 144 Km.

Wolfang Tittel, Físico da Universidade de Calgary no Canadá, e Frédéric Grosshans, Físico de comunicações quânticas na Universidade de Paris-sul em Orsay, afirmam que “isto demonstra que se podem estabelecer comunicações quânticas a distâncias continentais,” e que, no caso do canadiano, este ficou “verdadeiramente impressionado pelo resultado obtido pelo grupo da China”, já que “não esperava que o satélite funcionasse após o lançamento.”

A competição entre a China e a Áustria estabeleceu uma colaboração para o novo máximo de 1203 Km.
Créditos do diagrama: Nature

É verdade que a notícia gerou algum cepticismo, já que se receava, entre outras dificuldades, que o sinal do feixe, ao ser detectado, quebrasse o entrelaçamento dos fotões.

Se alguma reserva se mantém, esta agora centra-se na concepção do teste de Bell, que não recorreu à troca de entrelaçamentos dos ensembles, uns de fotões (energia de radiação), outros de electrões (matéria), como prova inequívoca deste Teste de Bell.

Mas este tipo de teste serve mais para refutar a existência das variáveis escondidas que Einstein afirmava existirem para completar a explicação aleatória da mecânica quântica, tentando trazê-la para o regime do senso comum.

O que testa a qualidade do resultado do QUESS é o facto de esta dupla observação duma emissão de informação entrelaçada estar confirmada pelos grupos envolvidos e pelos especialistas independentes.

Soma-se a hipótese verosímil do próprio ruído da transmissão ter logrado “envelopar” o entrelaçamento dos fotões no feixe, a subdivisão deste e a sua dupla detecção, mantendo o sistema fotónico emaranhado mesmo após a sua detecção e consequente aniquilamento.

Assim, a China avança mais do que qualquer outra nação na encriptação quântica, e o mundo segue a sua liderança.

Os investigadores chineses sublinharam que a China, e o mundo, irão beneficiar destas missões e dos seus resultados.

Um sistema de computação e de comunicação quântico não está por conceito imune a uma intrusão, está é por natureza desde logo alterado se esta ocorrer, ou seja, detecta, anula e identifica o sistema intruso pelo simples facto de este o ser.

E esta nova etapa da exploração espacial da China revela-se fascinante, pela objectividade e pela audácia em testar ciência básica.

Uma mistura que faz da China tecnologicamente e cientificamente uma nação muito avançada.

É esta a realidade emergente dos sistemas quânticos.

E para culminar esta aventura, o Filósofo e cientista chinês Micius, que enunciou há 2.500 anos a Primeira Lei de Newton, alcança, no espaço, um justíssimo reconhecimento.


Termino com um vídeo para ilustrar a fotossíntese, cujo mecanismo fundamental é o entrelaçamento quântico.

A música é dos Air, dois Músicos e Matemáticos.