Pergunte a Ethan: O que é tão assustador no entrelaçamento quântico?

Criando dois fótons emaranhados no sistema existente e depois dividindo-os a uma grande distância, podemos obter informações sobre o estado de um deles medindo o estado do outro

A física quântica está cheia de quebra-cabeças, notória por contradizer nossa intuição. As partículas parecem saber se você está olhando para elas ou não, e exibem comportamentos diferentes, dependendo se você as observa ou não, passando por uma fenda dupla. A medição de uma quantidade única, por exemplo, a posição de uma partícula, cria sua incerteza inerente a uma quantidade complementar, por exemplo, momento. E se você medir seu giro na direção vertical, destrua as informações sobre as costas na direção horizontal. Mas o mais "assustador" de todos os fenômenos quânticos será o emaranhamento quântico, quando uma partícula parece "saber" instantaneamente se o parceiro confundido com ela foi medido, mesmo que tenha sido feito no outro extremo do Universo. Nesta semana, examinaremos a pergunta do leitor, intrigada com o motivo pelo qual isso geralmente é considerado um mistério.

Do ponto de vista dos fótons, eles percorreram uma distância zero no tempo zero. Então, o que é assustador nisso? Até que um deles seja medido, eles estão no mesmo lugar e ao mesmo tempo (se você acredita neles), então não pode ser chamado de mistério que eles coordenem seus estados.

Raciocínio razoável: a dilatação do tempo para partículas em movimento rápido significa que elas podem coordenar seus estados a qualquer velocidade. Mas esse enigma não é tão fácil de resolver.


Esquema do terceiro experimento Aspe para verificar a não-localidade quântica. Os fótons emaranhados da fonte são enviados para dois comutadores, direcionando-os para sensores polarizadores. Os interruptores mudam rapidamente seus estados, alterando as configurações do detector durante o vôo dos fótons.

Primeiro, vamos examinar a questão do emaranhamento. O experimento geralmente é realizado com fótons: você transmite um quantum de luz através de um material especial (cristal dispersante), dividindo-o em dois fótons. Esses fótons serão emaranhados em certo sentido, ou seja, se um deles girar, o momento angular interno será +1, e o outro terá -1. Mas qual deles é desconhecido para nós. Você pode até fazer experimentos em que, depois de considerar um grande número de fótons, a diferença entre
• resultados estatísticos se girar +1,
• resultados estatísticos se o giro for -1,
• e resultados estatísticos caso a rotação permaneça indefinida.

É muito difícil visualizar esses resultados, mas na mecânica quântica há uma analogia maravilhosa: a passagem de uma partícula por um espaço duplo.


Se elétrons, fótons ou outras partículas são passadas por um espaço duplo, surge um padrão de interferência. Mas isso só acontece se você não verificar a lacuna que eles passam!

Se você passar uma partícula por uma fenda dupla - ou seja, uma tela com dois slots estreitos muito próximos um do outro - e ela passar por eles, em vez de ser sustentada pela tela, você poderá determinar facilmente onde ela estará do outro lado. Se você lançar muitas partículas, uma de cada vez, através de um pote duplo, verá que as partículas que passam pelas rachaduras formam um padrão de interferência. Em outras palavras, cada partícula não se comporta como se tivesse passado por uma ou outra lacuna; ela se comporta como se passasse pelos dois espaços ao mesmo tempo, interferisse consigo mesma na forma de uma onda e continuasse se movendo.

Mas esta imagem, que demonstra a estranha natureza mecânica quântica de todas as partículas do Universo, aparece apenas se você não determinar por qual lacuna a partícula passa.


Se você determinar através de qual intervalo uma partícula passa, deixando o resto do experimento inalterado, você não terá uma imagem de interferência.

Se, em vez disso, você medir uma partícula que passa por um dos slots - isso pode ser feito instalando um contador - você não terá uma imagem de interferência. Você obterá um monte de partículas correspondentes à passagem pelo slot 1 e um monte para o slot 2.


O padrão de onda dos elétrons passando por um espaço duplo, um de cada vez. Se você medir através do intervalo que um elétron passou, destruirá a imagem de interferência quântica. Observe que para criar uma imagem assim é necessário mais de um elétron.

Em outras palavras, fazendo uma medição que determina o caminho escolhido pela partícula, você altera o resultado dessa escolha! Para uma partícula, você só pode determinar a probabilidade de passar pela fenda 1, fenda 2 ou interferência nela mesma. Serão necessárias mais estatísticas para descobrir o estado real da sua experiência.


Teste mecânico quântico de Bell para partículas de spin meio-inteiras

De volta aos fótons confusos. Ou, em geral, para quaisquer partículas emaranhadas. Você cria duas partículas emaranhadas nas quais conhece a quantidade total de suas propriedades, mas não as propriedades de cada uma delas. O exemplo mais simples seria um giro - para dois fótons, resultará (+1 e -1) ou (-1 e +1), para dois elétrons - (+ ½ e -½) ou (-½ e + ½) - e você você não sabe qual terá qual rotação, até que você a avalie. Em vez de lacunas, você pode enviá-las através de um polarizador. E assim que você mede um, você determina o outro. Em outras palavras, você o conhece instantaneamente.


Um experimento de apagamento quântico no qual duas partículas emaranhadas são separadas e medidas. Nenhuma ação em uma das partículas no destino afeta a outra.

"Assustador" é o fato de que na física nada mais acontece instantaneamente. A velocidade de transmissão mais alta de qualquer sinal será igual a s, a velocidade da luz no vácuo. Mas essas duas partículas entrelaçadas podem ser divididas em metros, quilômetros, unidades astronômicas ou anos-luz, e a medição de uma delas determina instantaneamente o estado da outra. Não importa se as partículas emaranhadas se movem com a velocidade da luz ou não, se elas têm massa ou não, quanta energia eles têm e se você as isola uma da outra para que elas não enviem fótons. Não existem brechas que permitam que a velocidade da interação em qualquer sistema de referência compense de alguma forma isso. No final dos anos 90, experimentos com a separação e a medição simultânea dessas partículas determinaram que, se alguma informação é transmitida entre elas, ela se move 10.000 vezes mais rápido que a velocidade da luz.


Teletransporte quântico, que muitas vezes é confundido com viajar mais rápido que a luz. Na realidade, a informação não é transmitida mais rápido que a velocidade da luz.

Mas isso não pode ser! Na realidade, nenhuma informação é transmitida. É impossível medir uma partícula em um só lugar e usá-la para transmitir algo a uma partícula localizada muito distante. Muitos esquemas engenhosos foram desenvolvidos, concebidos para que, usando essa propriedade, transmitam informações mais rapidamente que a luz, mas em 1993 eles provaram que esse mecanismo não permitirá a transmissão de informações. Há uma explicação simples para isso:

• Se você medir “qual é o estado da partícula que possuo”, saberá o estado de outra partícula, mas nada poderá ser feito com essas informações até que você chegue a outra partícula ou ela chegue até nós, e a mensagem terá que passar na velocidade da luz ou mais devagar.
• Se você forçar a partícula existente a tomar um determinado estado, isso não mudará o estado da partícula emaranhada. Pelo contrário, destruirá o emaranhado, para que você não aprenda nada sobre a segunda partícula.

[ Ethan não revelou completamente a essência do problema. Todas as opções acima podem não surpreendê-lo se você imaginar a analogia com luvas. Alguém lhe enviou uma luva de um par e seu amigo outra. E quando você abre o pacote, reconhece instantaneamente não apenas qual luva, esquerda ou direita, você recebeu, mas também o que seu amigo recebeu. No entanto, no caso de partículas emaranhadas, o estado das luvas não é determinado inicialmente. E nós simplesmente não sabemos ou não sabemos como determiná-lo - na verdade, é determinado aleatoriamente e precisamente no momento de medir uma das "luvas". Então a outra "luva" assume instantaneamente o estado oposto. Isso é o que Einstein chamou de “ação assustadora de longo alcance” / aprox. perev. ]


Se duas partículas são emaranhadas, as propriedades de suas funções de onda se complementam, e a medição de uma delas determina as propriedades da outra. Mas se a função de onda é uma descrição matemática abstrata, ou se está subjacente às verdades mais profundas do Universo e à realidade determinística e fundamental, é uma questão em aberto.

Este é um problema filosófico para realistas. Isso significa que a função de onda de uma partícula - ou a função de onda emaranhada de várias partículas - é um objeto físico real que existe e evolui no Universo, mas isso requer um grande número de suposições desconfortáveis. Deve-se presumir que existe um número infinito de realidades possíveis e que vivemos em apenas uma delas, embora não haja evidências da existência de outras. Se você é um instrumentista (como autor; é mais simples e prático), você não tem esse problema filosófico. Você simplesmente reconhece que a função de onda é uma ferramenta para cálculos.


Einstein era um realista convencido em questões de mecânica quântica e levou esse preconceito consigo para o túmulo. Nenhuma evidência foi encontrada para apoiar sua interpretação da mecânica quântica, embora ela ainda tenha muitos adeptos.

Steven Weinberg, ganhador do Nobel, cofundador do Modelo Padrão e físico teórico genial em muitos campos, recentemente condenou a abordagem do instrumentalismo no Science News, descrevendo-a assim:

É tão terrível imaginar que não temos conhecimento sobre tudo o que existe - podemos dizer o que aconteceu apenas fazendo uma medição.

Mas, independentemente de suas evasões filosóficas, o trabalho da mecânica quântica e a função de onda, entrelaçando partículas, permitem destruir esse emaranhado, mesmo a distâncias cósmicas. Este é o único processo instantâneo no Universo conhecido por nós e, portanto, realmente se destaca!

Ethan Siegel - astrofísico, popularizador da ciência, autor de Starts With A Bang! Ele escreveu os livros "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ] e "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].