Nota do Editor: O emaranhamento quântico é frequentemente chamado de paradoxal. Ah, quem estou enganando? É estranho. Se você está tão perplexo quanto eu, ou apenas gostaria de uma explicação sólida sobre esse fenômeno, Carl Kocher, Distinguished Visiting Professor, Quantum Foundry, University of California, Santa Barbara e Professor de Física, Professor Emérito em Oregon. State University, oferece este artigo sobre o mundo “incrivelmente fascinante” do emaranhamento quântico em Eurekalert, republicado aqui.
Meu novo título, “Quantum Entanglement of Optical Photons: The First Experiment, 1964-67”, pretende transmitir o espírito de um pequeno projeto de pesquisa que chega a um território desconhecido. Este artigo rompe com a tradição, pois fornece um relato em primeira pessoa da técnica e dos desafios do experimento, bem como uma explicação do resultado final e seu significado. Nesta série de convidados, apresentarei o tema e tentarei lançar alguma luz sobre a questão ‘O que é paradoxo?’
Vamos começar com um giroscópio que comprei quando tinha oito anos, em uma loja de novidades e magia. O disco giratório, apoiado na extremidade de sua haste, não caiu, mas moveu-se lentamente em um plano horizontal. Este comportamento parece incompreensível ou paradoxal no contexto da experiência comum que não envolve giroscópios, mas faz todo o sentido no contexto da mecânica newtoniana, que resolve o paradoxo ao prever com precisão como os giroscópios se comportarão.
A teoria quântica, desenvolvida em meados da década de 1920, teve notável sucesso no cálculo das estruturas e interações de átomos e moléculas. Em 1935, Einstein, Podolsky e Rosen provocaram controvérsia com uma experiência mental em que duas partículas da mesma origem se separaram, observando que a teoria quântica prevê correlação nas medições sucessivas dos seus spins. A correlação pode parecer confusa, pois a medição de uma das partículas parece influenciar a medição subsequente da outra, mesmo que as partículas não interajam. Em termos modernos, esta correlação é um exemplo de aprisionamento, e o fenómeno da correlação é conhecido como paradoxo EPR. O paradoxo tornou-se objeto de muita discussão e análise, principalmente porque não havia (e há) nenhuma forma conhecida de medir a comunicação.
Separação emaranhada
Em 1964, fiquei intrigado com este resultado incomum e comecei a pensar em como fazer um experimento EPR – ou pelo menos uma versão dele – para observar correlações e emaranhamentos. Pode ser um pequeno experimento de energia que pode ser montado em um pequeno laboratório.
No estudo aqui descrito, as partículas de interesse são fótons de luz visível, não interagentes, emitidos por átomos de cálcio excitados através de um processo de emissão espontânea em dois estágios. Os estados de polarização dos fótons, relacionados aos seus spins, podem ser facilmente medidos com polarizadores lineares padrão. Os detectores fotomultiplicadores contam fótons individuais, nº 1 (verde) e nº 2 (violeta), e os circuitos de temporização permitem a identificação de pares de fótons no mesmo átomo. Um polarizador linear rotativo é colocado na frente de cada detector.
Em termos simples, o experimento envolve o cálculo da taxa de detecção de pares de fótons, em função da posição dos polarizadores. Um par de fótons recebidos do mesmo átomo é registrado como uma “contagem de acoplamento”.
A teoria quântica faz as seguintes previsões:
- Cada fóton, tomado separadamente, tem 50% de chance de ser transmitido pelo seu polarizador, independente do seu ângulo de orientação.
- Se os eixos do polarizador estiverem alinhados, ambos os fótons do mesmo átomo podem passar pelos seus polarizadores e ser contados. As estatísticas da reunião serão observadas.
- Se os eixos do polarizador forem perpendiculares, é impossível que ambos os fótons passem pelos seus polarizadores. Portanto, não serão observadas estatísticas de convergência.
As previsões nº 1 e nº 2 não são surpreendentes, uma vez que a luz verde e violeta é invisível.
A previsão nº 3, discutida mais adiante em meu artigo, é um efeito de emaranhamento quântico que não tem análogo na física clássica (não quântica). É especialmente interessante porque pode ser testado experimentalmente. Eu projetei um experimento especificamente para esse propósito.
Os resultados do experimento, após quase três anos de esforço em laboratório, mostram claramente que a contagem de coincidências é registrada quando os eixos do polarizador são paralelos, e que nenhuma coincidência é registrada quando os polarizadores são perpendiculares. A concordância entre teoria e experimento é inequívoca e surpreendente.
Então existe um paradoxo?
Na nossa breve discussão sobre o giroscópio, nenhum paradoxo é aceite porque a teoria de Newton (dinâmica clássica) explica completamente como o giroscópio se move. Além disso, tanto a teoria como o comportamento observado do giroscópio são consistentes com o nosso conhecimento da vida e a capacidade intuitiva de capturar processos naturais no ambiente primitivo.
No caso do emaranhamento, a teoria quântica explica a correlação observada das polarizações dos fótons. Mas mesmo quando uma teoria prevê os resultados de uma experiência, um paradoxo pode permanecer se a intuição não conseguir estabelecer uma ligação com ela.
Veja também as previsões nº 1 e nº 3 acima. Se desenharmos a nossa experiência de vida no mundo não quântico, poderemos notar algo muito incomum quando os polarizadores “caem” a 90 graus. Se cada fóton tem 50% de chance de ser transmitido através de seu polarizador, por que não obtemos coincidência em 25% das vezes? Em vez disso, não vemos nada. À primeira vista, isto parece ser considerado um paradoxo. Uma explicação possível pode envolver a falta de uma parte da teoria quântica – talvez um mecanismo causal que permitiria que um fóton, ou um quantum, se comunicasse com outro. No entanto, apesar de extensas pesquisas, nenhuma evidência de tal mecanismo foi encontrada.
Como não vivemos num mundo excessivamente quântico, eventos antigos podem influenciar os nossos processos de pensamento – mesmo quando entramos no reino quântico. Portanto, sempre pode ser um desafio combinar a intuição. Acredito que o paradoxo pode ser, pelo menos parcialmente, resolvido com mais reflexão e conhecimento, como a experiência mental aqui apresentada, para “esticar a mente” para abraçar totalmente a gravidade e outros fenómenos quânticos.
Eu considerei essas características naturais “incrivelmente incríveis”.
