Teóricos da informação quântica estão jogando nova luz sobre o misterioso fenômeno do emaranhamento quântico
O ano de 2025 marca o 100º aniversário da mecânica quântica. No século que se passou desde o surgimento deste campo de estudo, cientistas e engenheiros usaram a mecânica quântica para criar tecnologias como lasers, scanners de ressonância magnética e chips de computador.
Atualmente, pesquisadores estão buscando a construção de computadores quânticos e maneiras de transferir informações com segurança usando um campo totalmente novo chamado ciência da informação quântica.
Mas, apesar da criação de todas essas tecnologias revolucionárias, os físicos e filósofos que estudam a mecânica quântica ainda não encontraram respostas para algumas das grandes questões levantadas pelos fundadores do campo. Devido aos recentes desenvolvimentos na ciência da informação quântica, pesquisadores como eu estão usando a teoria da informação quântica para explorar novas formas de pensar sobre essas questões fundamentais não respondidas. E uma direção que estamos analisando relaciona o princípio da relatividade de Albert Einstein ao qubit.
Computadores quânticos
A ciência da informação quântica concentra-se na construção de computadores quânticos com base no “bit quântico” de informação, ou qubit. O qubit é historicamente fundamentado nas descobertas dos físicos Max Planck e Einstein. Eles instigaram o desenvolvimento da mecânica quântica em 1900 e 1905, respectivamente, quando descobriram que a luz existe em “pacotes” discretos, ou “quânticos”, de energia.
Esses quanta de energia também emergem em pequenas formas de matéria, como átomos e elétrons, que constituem tudo no Universo. São as propriedades estranhas desses minúsculos pacotes de matéria e energia que são responsáveis pelas vantagens computacionais do qubit.
Um computador baseado em um bit quântico em vez de um bit clássico poderia ter uma vantagem computacional significativa. E isso porque um bit clássico produz uma resposta binária - 1 ou 0 - para apenas uma consulta.
Por outro lado, o qubit produz uma resposta binária a um número infinito de consultas usando a propriedade de superposição quântica. Essa propriedade permite que os pesquisadores conectem vários qubits no que é chamado de estado quântico emaranhado. Aqui, os qubits emaranhados agem coletivamente de uma forma que as matrizes de bits clássicos não conseguem.
Isso significa que um computador quântico pode fazer alguns cálculos muito mais rapidamente do que um computador comum. Por exemplo, um dispositivo supostamente usou 76 qubits emaranhados para resolver um problema de amostragem 100 trilhões de vezes mais rápido do que um computador clássico.
Mas a força exata ou o princípio da natureza responsável por esse estado quântico emaranhado que sustenta a computação quântica é uma grande questão sem resposta. Uma solução que eu e meus colegas da teoria da informação quântica propusemos tem a ver com o princípio da relatividade de Einstein.
Teoria da informação quântica
O princípio da relatividade diz que as leis da física são as mesmas para todos os observadores, independentemente de onde eles estejam no espaço, de como estejam orientados ou de como estejam se movendo em relação uns aos outros. Minha equipe mostrou como usar o princípio da relatividade em conjunto com os princípios da teoria da informação quântica para explicar as partículas quânticas emaranhadas.
Os teóricos da informação quântica, como eu, pensam na mecânica quântica como uma teoria dos princípios da informação em vez de uma teoria de forças. Isso é muito diferente da abordagem típica da física quântica, na qual força e energia são conceitos importantes para fazer os cálculos. Em contrapartida, os teóricos da informação quântica não precisam saber que tipo de força física pode estar causando o comportamento misterioso das partículas quânticas emaranhadas.
Isso nos dá uma vantagem para explicar o emaranhamento, ou entrelaçamento, quântico porque, como o físico John Bell provou em 1964, qualquer explicação para o entrelaçamento quântico em termos de forças requer o que Einstein chamou de “ações fantasmagóricas à distância”.
Isso ocorre porque os resultados das medições das duas partículas quânticas emaranhadas estão correlacionados, mesmo que essas medições sejam feitas ao mesmo tempo e as partículas estejam fisicamente separadas por uma grande distância. Portanto, se uma força estiver causando o entrelaçamento quântico, ela teria que agir mais rápido do que a velocidade da luz. E uma força mais rápida do que a luz viola a Teoria da Relatividade Especial de Einstein.
Muitos pesquisadores estão tentando encontrar uma explicação para o entrelaçamento quântico que não exija ações fantasmagóricas à distância, como a solução proposta pela minha equipe.
Emaranhamento clássico e quântico
No entrelaçamento, você pode saber algo sobre duas partículas coletivamente - chame-as de partícula 1 e partícula 2 - de modo que, quando você mede a partícula 1, você imediatamente sabe algo sobre a partícula 2.
Imagine que você está enviando encomendas pelo correio para dois amigos, que os físicos normalmente chamam de Alice e Bob, cada uma com uma luva do mesmo par de luvas. Quando Alice abrir sua caixa e vir uma luva esquerda, ela saberá imediatamente que, quando Bob abrir a outra caixa, verá a luva direita. Cada combinação de caixa e luva produz um de dois resultados: uma luva direita ou uma luva esquerda. Há apenas uma medição possível - abrir a caixa - portanto, Alice e Bob têm bits clássicos de informação emaranhados.
Mas no emaranhamento quântico a situação envolve qubits emaranhados, que se comportam de forma muito diferente dos bits clássicos.
Comportamento do qubit
Considere uma propriedade dos elétrons chamada spin. Quando você mede o spin de um elétron usando ímãs orientados verticalmente, sempre obtém um spin para cima ou para baixo, sem nada no meio. Esse é um resultado de medição binária, portanto, trata-se de um pouco de informação.
Se você girar os ímãs de lado para medir o spin de um elétron horizontalmente, sempre obterá um spin para a esquerda ou para a direita, nada no meio. As orientações vertical e horizontal dos ímãs constituem duas medições diferentes desse mesmo bit. Portanto, o spin do elétron é um qubit - ele produz uma resposta binária a várias medições.
Superposição quântica
Agora, suponha que você primeiro meça o spin de um elétron verticalmente e descubra que ele está para cima e, em seguida, meça seu spin horizontalmente. Quando você fica em pé, não se move nem para a direita nem para a esquerda. Portanto, se eu medir o quanto você se move de um lado para o outro quando está em pé, obterei zero.
Isso é exatamente o que se espera para os elétrons com spin vertical para cima. Como eles têm spin orientado verticalmente, análogo a ficar em pé, eles não deveriam ter nenhum spin para a esquerda ou para a direita horizontalmente, análogo a se mover de um lado para o outro.
Surpreendentemente, os físicos descobriram que metade deles gira horizontalmente para a direita e a outra metade para a esquerda. Agora, não parece fazer sentido que um elétron com spin vertical para cima tenha resultados de spin para a esquerda (-1) e spin para a direita (+1) quando medido horizontalmente, assim como não esperamos nenhum movimento de um lado para o outro quando estamos em pé.
Mas quando somamos todos os resultados de spin à esquerda (-1) e à direita (+1), obtemos zero, como esperávamos na direção horizontal quando nosso estado de spin é vertical para cima. Portanto, em média, é como não ter nenhum movimento lateral ou horizontal quando estamos em pé.
Essa proporção de 50-50 sobre os resultados binários (+1 e -1) é o que os físicos estão falando quando dizem que um elétron com spin vertical para cima está em uma superposição quântica de spins horizontais à esquerda e à direita.
Emaranhamento e o princípio da relatividade
De acordo com a teoria da informação quântica, toda a mecânica quântica, incluindo seus estados quânticos emaranhados, baseia-se no qubit com sua superposição quântica.
O que meus colegas e eu propusemos é que essa superposição quântica resulta do princípio da relatividade, que (novamente) afirma que as leis da física são as mesmas para todos os observadores com diferentes orientações no espaço.
Se o elétron com um spin vertical na direção ascendente passasse direto pelos ímãs horizontais, como seria de se esperar, ele não teria spin horizontal. Isso violaria o princípio da relatividade, que diz que a partícula deve ter um spin independentemente de estar sendo medida na direção horizontal ou vertical.
Como um elétron com um spin vertical na direção para cima tem um spin quando medido horizontalmente, os teóricos da informação quântica podem dizer que o princípio da relatividade é (em última análise) responsável pelo emaranhamento quântico.
E como não há nenhuma força usada na explicação desse princípio, não há nenhuma das “ações fantasmagóricas à distância” que Einstein ridicularizou.
Com as implicações tecnológicas do entrelaçamento quântico para a computação quântica firmemente estabelecidas, é bom saber que uma grande questão sobre sua origem pode ser respondida com um princípio físico altamente considerado.
Por William Mark Stuckey, Professor of Physics, Elizabethtown College
Este artigo foi publicado originalmente no site The Conversation
