Nobel de Física 2022 vai para experimentos de entrelaçamento quântico. Entenda

Nesta terça (4), três cientistas foram laureados com o Nobel de Física 2022: John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger. Eles levaram o prêmio por… realizarem experimentos com fótons entrelaçados e serem pioneiros na ciência da informação quântica. Se você não entendeu bem do que trata, não se preocupe: a gente te dá uma mãozinha.

A primeira coisa a ter em mente é que o trio fez estudos importantes para a mecânica quântica. Este é um ramo da física que descreve o funcionamento do mundo em escala minúscula: o comportamento das partículas fundamentais. Esses são os menores tijolos que constroem tudo que há por aí, como prótons e nêutrons, que estão no núcleo dos átomos.

Existem alguns fenômenos curiosos na mecânica quântica, como o “entrelaçamento” que está por trás do Nobel de Física deste ano. Ele permite que duas ou mais partículas (como os fótons, partículas da luz) existam em um estado compartilhado, onde quer que elas estejam. O que acontece com uma partícula determina o que acontece com a outra, mesmo que elas estejam distantes entre si.

Imagine que as partículas são bolinhas que ficam em uma sobreposição de estados diferentes (vermelho e amarelo, por exemplo). Você não sabe qual é a cor de cada uma até realizar uma medição – nesse momento, a bola “assume” uma das cores. Quando duas partículas estão entrelaçadas, no momento em que uma assume o vermelho, a outra assume o amarelo.

A questão é que essas bolinhas já podem estar distantes quando você faz essa medição. Uma não teria como “saber” qual cor a outra escolheu – mas, mesmo assim, esse fenômeno acontece. Você só precisa saber o que acontece com uma partícula em um par entrelaçado para descobrir o que acontece com a outra, mesmo que elas já tenham se afastado.

Para Albert Einstein, essa “ação assustadora à distância” era inviável – segundo a teoria da relatividade, pelo menos do modo como era entendida originalmente, nada poderia ligar duas partículas instantaneamente no espaço. Assim, as bolas do nosso exemplo já teriam assumido uma cor antes de se separarem.

O dinamarquês Niels Bohr estava do outro lado dessa discussão. Ele acreditava que as partículas de um par entrelaçado realmente ficam indecisas até o momento da observação e colapsam em sincronia – assumindo o vermelho ou amarelo – apesar da distância entre si.

O americano John Clauser ajudou a resolver essa questão com um experimento de 1972, em que ele usou átomos de cálcio para emitir fótons emaranhados e mediu sua polarização. (Imagine que cada fóton carrega uma seta apontando em uma direção. Essa propriedade seria a polarização.) “Eu estava apostando em Einstein, mas infelizmente eu estava errado”, disse Clauser em um comunicado.

Depois de 1972, Clauser e outros físicos continuaram a discutir o experimento e suas limitações. Um trabalho chave para essa discussão foi o do francês Alain Aspect. Ele adaptou (e refinou) o experimento de Clauser, atingindo os resultados mais compreensíveis e conclusivos até então – que demonstraram que as partículas realmente ficavam em uma sobreposição de estados diferentes.

A ciência da informação quântica

O austríaco Anton Zeilinger conduziu mais experimentos como os de Clauser e Aspect – baseados no teorema de Bell, publicado pelo físico irlandês John Bell em 1964. Em vez de partir de átomos de cálcio, Zeilinger criou partículas entrelaçadas apontando um laser em um cristal – e testou ainda mais configurações de medição.

Zeilinger e sua equipe foram os primeiros a explorar sistemas com mais de duas partículas entrelaçadas. Em 1977, eles demonstraram que se um par de partículas entrelaçadas encontra uma terceira partícula, todas elas podem entrar em um novo estado compartilhado. Imagine que, nesse caso, várias bolinhas colapsam em sincronia e assumem uma cor de forma dependente.

Essa maneira de transferir um estado quântico desconhecido de uma partícula para outra é chamado de teletransporte quântico – e é o único jeito de transferir informações quânticas de um sistema para outro sem perder nenhuma parte dele.

Thors Hans Hansson, membro do Comitê do Nobel para Física, explica que os vencedores do prêmio usaram experimentos inovadores que têm demonstrado o potencial para investigar e controlar partículas entrelaçadas. Além de ser relevante por aumentar nossa compreensão do mundo que vai além dos nossos olhos, os experimentos têm aplicações práticas.

No futuro, com a criptografia quântica, poderemos usar o entrelaçamento para transmitir informações a longa distância de modo que seja impossível interceptar a mensagem. Isso porque (como vimos com as bolinhas indecisas sobre sua cor) um sistema quântico pode conter várias versões de cada propriedade simultaneamente, que têm certa chance de aparecer durante uma medição. É impossível reconstruir o sistema.

Hoje, graças ao trabalho de físicos como os do trio que recebeu o Nobel, há um grande campo de pesquisa sobre comunicação criptografada dessa maneira, mas também sobre redes e computadores quânticos.

Você pode ler mais sobre física quântica nesta matéria da Super e entender as descobertas por trás dos prêmios Nobel deste ano acompanhando nosso site durante esta semana. Ontem (3), na primeira premiação de 2022, o biólogo sueco Svante Pääbo ganhou o Nobel de Medicina graças a seu trabalho com os genomas de hominídeos extintos.