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Emaranhamento quântico de fótons é observado em tempo real

Por| Editado por Patricia Gnipper | 29 de Agosto de 2023 às 16h01

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Bertram/Motion Forge para NIST
Bertram/Motion Forge para NIST

Usando um método inovador de observação de estados quânticos, cientistas conseguiram visualizar o entrelaçamento quântico de fótons pela primeira vez. Isso foi possível graças a uma câmera com precisão de nanossegundos e uma técnica de holograma digital realizada em tempo recorde.

O entrelaçamento quântico é um dos fenômenos mais curiosos da física de partículas, e perturbou até físicos como Albert Einstein e seu colega Nathan Rosen. Simplificando, o entrelaçamento ocorre quando duas partículas são interligadas tão intrinsecamente que podem transmitir informações entre si a quaisquer distâncias.

Na prática, dois fótons entrelaçados vão ter sempre os mesmos estados quânticos mesmo que apenas um deles seja alterado. Isso é verdade tanto para dois fótons entrelaçados separados por alguns nanômetros, quanto para aqueles a bilhões de anos-luz de distância.

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Mais estranho ainda é que essa troca de informação entre as partículas entrelaçadas é instantânea, não importa a localização de cada uma delas no universo. Em outras palavras, não ocorre uma transmissão no sentido literal da palavra — caso contrário, a comunicação exigiria velocidades muito superiores à da luz, e isso é algo que não pode existir.

Esse efeito é tão contra-intuitivo que parece coisa de ficção científica, mas é muito real e pode ser aplicado em tecnologias que fazem uso prático da mecânica quântica, como a computação quântica. Por isso, pesquisas sobre o assunto são tão importantes.

As informações de uma partícula, ou melhor, seu estado quântico, estão descritas em algo chamado função de onda. A função de onda de um fóton, elétron, ou de qualquer outra partícula é descrita em termos de posição, velocidade, rotação e outras propriedades. Então, determinar a função de onda das partículas em um sistema é fundamental, mas também é uma tarefa muito difícil de executar devido ao princípio da incerteza.

Conhecido como tomografia quântica, o processo para se determinar a função de onda de um sistema quântico envolve medições de várias características distintas, conhecidas como dimensionalidade. Cada dimensão representa uma das várias propriedade que podem ser medidas. Quanto mais complexo o sistema, maior o número de dimensões.

Sistemas entrelaçados podem ser de alta dimensão, ou seja, suas dimensões correspondem a muitas propriedades das partículas entrelaçadas. Como você deve imaginar, medir esse tipo de sistema pode se tornar muito complexo e levar dias para se obter algum resultado.

Com o novo método, os pesquisadores conseguiram executar essa tarefa em apenas alguns minutos, ou até mesmo segundos. Eles usaram o conceito de holografia digital para criar uma imagem tridimensional de fótons entrelaçados com a interferência da luz, sobrepondo as partículas a um estado quântico conhecido.

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A câmera de última geração, com precisão de nanossegundos, capturou a chegada sincronizada dos fótons entrelaçados com um padrão de interferência, que continha a “chave” para obter a função de onda.

O artigo descrevendo os resultados foi publicado na Nature Photonics.

Fonte: Nature Photonics, Universidade de Ottawa