O Prêmio Nobel de Física de 2022 foi concedido a um trio de cientistas por experimentos pioneiros em mecânica quântica, a teoria que cobre o micromundo de átomos e partículas.
Por Robert Young, The Conversation, com informações de Science Alert.
Alain Aspect, da Université Paris-Saclay, na França, John Clauser, da JF Clauser & Associates, nos EUA, e Anton Zeilinger, da Universidade de Viena, na Áustria, dividirão o prêmio de 10 milhões de coroas suecas (US$ 915.000) “para experimentos com fótons, estabelecendo a violação das desigualdades de Bell e pioneira na ciência da informação quântica”.
O mundo da mecânica quântica parece realmente muito estranho. Na escola, aprendemos que podemos usar equações da física para prever exatamente como as coisas se comportarão no futuro – para onde uma bola irá se a rolarmos colina abaixo, por exemplo.
A mecânica quântica é diferente disso. Em vez de prever resultados individuais, ele nos diz a probabilidade de encontrar partículas subatômicas em lugares específicos. Uma partícula pode realmente estar em vários lugares ao mesmo tempo, antes de “escolher” um local aleatoriamente quando o medimos.
Até mesmo o grande Albert Einstein ficou perturbado com isso – a ponto de se convencer de que estava errado. Em vez de os resultados serem aleatórios, ele pensou que deveria haver algumas “variáveis ocultas” – forças ou leis que não podemos ver – que previsivelmente influenciam os resultados de nossas medições.
Alguns físicos, no entanto, abraçaram as consequências da mecânica quântica. John Bell, um físico da Irlanda do Norte, fez um importante avanço em 1964, elaborando um teste teórico para mostrar que as variáveis ocultas que Einstein tinha em mente não existem.
De acordo com a mecânica quântica, as partículas podem ser “emaranhadas”, assustadoramente conectadas, de modo que, se você manipular uma, você automaticamente e imediatamente também manipulará a outra.
Se essa assombro – partículas distantes misteriosamente influenciando umas às outras instantaneamente – fosse explicada pelas partículas se comunicando entre si por meio de variáveis ocultas, seria necessária uma comunicação mais rápida que a luz entre as duas, o que as teorias de Einstein proíbem.
O entrelaçamento quântico é um conceito desafiador de entender, essencialmente ligando as propriedades das partículas, não importa o quão distantes estejam. Imagine uma lâmpada que emite dois fótons (partículas de luz) que viajam em direções opostas para longe dela.
Se esses fótons estiverem emaranhados, eles podem compartilhar uma propriedade, como sua polarização, independentemente da distância. Bell imaginou fazer experimentos com esses dois fótons separadamente e comparar os resultados deles para provar que eles estavam emaranhados (verdadeira e misteriosamente ligados).
Clauser colocou a teoria de Bell em prática em um momento em que fazer experimentos com fótons individuais era quase impensável. Em 1972, apenas oito anos após o famoso experimento mental de Bell, Clauser mostrou que a luz pode de fato ser emaranhada.
Embora os resultados de Clauser fossem inovadores, havia algumas explicações alternativas e mais exóticas para os resultados obtidos.
Se a luz não se comportasse exatamente como os físicos pensavam, talvez seus resultados pudessem ser explicados sem emaranhamento. Essas explicações são conhecidas como lacunas no teste de Bell, e Aspect foi o primeiro a contestar isso.
Aspect surgiu com um experimento engenhoso para descartar uma das brechas potenciais mais importantes no teste de Bell. Ele mostrou que os fótons emaranhados no experimento não estão realmente se comunicando entre si por meio de variáveis ocultas para o resultado do teste de Bell.
Isso significa que eles realmente estão assustadoramente ligados .
Na ciência é incrivelmente importante testar os conceitos que acreditamos serem corretos. E poucos desempenharam um papel mais importante nisso do que Aspect. A mecânica quântica foi testada várias vezes ao longo do século passado e sobreviveu ilesa.
Tecnologia quântica
Neste ponto, você pode ser perdoado por se perguntar por que importa como o mundo microscópico se comporta, ou que os fótons podem ser emaranhados. É aqui que a visão de Zeilinger realmente brilha.
Certa vez, aproveitamos nosso conhecimento da mecânica clássica para construir máquinas, fabricar fábricas, levando à revolução industrial. O conhecimento do comportamento da eletrônica e dos semicondutores impulsionou a revolução digital.
Mas entender a mecânica quântica nos permite explorá-la, construir dispositivos capazes de fazer coisas novas. De fato, muitos acreditam que isso impulsionará a próxima revolução, da tecnologia quântica.
O emaranhamento quântico pode ser aproveitado na computação para processar informações de maneiras que não eram possíveis antes. Detectar pequenas mudanças no emaranhamento pode permitir que os sensores detectem coisas com maior precisão do que nunca.
A comunicação com a luz emaranhada também pode garantir a segurança, pois as medições dos sistemas quânticos podem revelar a presença do bisbilhoteiro.
O trabalho de Zeilinger abriu o caminho para a revolução tecnológica quântica, mostrando como é possível ligar uma série de sistemas emaranhados, para construir o equivalente quântico de uma rede.
Em 2022, essas aplicações da mecânica quântica não são ficção científica. Temos os primeiros computadores quânticos. O satélite Micius usa emaranhamento para permitir comunicações seguras em todo o mundo. E sensores quânticos estão sendo usados em aplicações desde imagens médicas até a detecção de submarinos.
Em última análise, o painel do Nobel de 2022 reconheceu a importância dos fundamentos práticos que produzem, manipulam e testam o emaranhamento quântico e a revolução que está ajudando a impulsionar.
Fico feliz em ver este trio recebendo o prêmio. Em 2002, iniciei um doutorado na Universidade de Cambridge inspirado pelo trabalho deles. O objetivo do meu projeto era fazer um dispositivo semicondutor simples para gerar luz emaranhada.
Isso simplificaria bastante o equipamento necessário para fazer experimentos quânticos e permitir que dispositivos práticos para aplicações do mundo real fossem construídos. Nosso trabalho foi bem-sucedido e me surpreende e me emociona ver os trancos e barrancos que foram dados no campo desde então.
Robert Young, Professor de Física e Diretor do Lancaster Quantum Technology Centre, Lancaster University
Este artigo é republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.
