O emaranhamento quântico é um dos fenômenos mais estranhos já revelados pela física. Duas partículas podem ser preparadas de maneira que determinadas propriedades delas deixem de ser descritas independentemente. Mesmo depois de separadas por grandes distâncias, os resultados obtidos ao medir uma permanecem fortemente relacionados aos resultados encontrados na outra. Não existe um fio invisível ligando as partículas, mas a mecânica quântica passa a descrevê-las como partes de um mesmo estado.
Essa característica confronta diretamente a maneira como estamos acostumados a enxergar o mundo. No cotidiano, esperamos que objetos separados tenham propriedades próprias e que qualquer influência entre eles precise percorrer o espaço. No domínio quântico, porém, essa intuição deixa de funcionar tão bem.
O que realmente acontece no emaranhamento quântico
Imagine duas partículas produzidas por um processo no qual uma propriedade delas precisa obedecer a uma relação específica. Dependendo do experimento, essa propriedade pode estar associada ao spin, à polarização de um fóton ou a outra grandeza quântica.
Quando o sistema está emaranhado, não é correto simplesmente imaginar que cada partícula recebeu antecipadamente uma característica escondida e depois partiu carregando essa informação. O estado quântico completo pertence ao conjunto formado pelas partículas.
Um exemplo simplificado envolve duas partículas cujos resultados de determinadas medições aparecem correlacionados. Antes da medição, a teoria quântica descreve possibilidades para o sistema. Quando medições compatíveis são realizadas, os resultados apresentam relações que seguem exatamente as probabilidades previstas pela mecânica quântica.
É aí que começa a parte realmente desconcertante: essas correlações podem continuar existindo mesmo quando as partículas estão extremamente afastadas.
Einstein desconfiava que alguma coisa estava faltando
A estranheza do fenômeno não incomoda apenas quem está conhecendo física quântica pela primeira vez. Ela esteve no centro de uma das maiores discussões da física do século XX.
Em 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen publicaram um argumento que ficou conhecido como paradoxo EPR. O trabalho questionava se a mecânica quântica oferecia uma descrição completa da realidade.
Uma possível explicação parecia intuitiva: talvez as partículas possuíssem informações previamente determinadas que simplesmente não conseguíamos observar. Essas informações ficaram associadas ao conceito de variáveis ocultas.
Décadas depois, essa ideia encontrou uma maneira de ser testada experimentalmente.
As desigualdades de Bell mudaram a discussão
Em 1964, o físico John Stewart Bell apresentou relações matemáticas capazes de diferenciar determinadas previsões da mecânica quântica das previsões produzidas por teorias baseadas em variáveis ocultas locais.
Os chamados testes de Bell passaram então a permitir que uma discussão aparentemente filosófica fosse colocada diante de equipamentos de laboratório.
Experimentos realizados posteriormente encontraram violações das desigualdades de Bell compatíveis com as previsões quânticas. Pesquisadores continuaram refinando esses testes durante décadas, fechando diferentes brechas experimentais e fortalecendo as evidências de que as correlações quânticas não podem ser explicadas por modelos locais simples nos quais cada partícula apenas carregaria respostas previamente definidas.
O impacto desse trabalho foi tão profundo que Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger receberam o Nobel de Física de 2022 por experimentos envolvendo fótons emaranhados, violações das desigualdades de Bell e avanços que ajudaram a estabelecer a ciência da informação quântica.
Isso significa que uma partícula envia informação para outra?
Essa é uma das interpretações mais comuns, mas também uma das mais perigosas.
O emaranhamento quântico não permite enviar mensagens instantaneamente entre duas pessoas separadas por grandes distâncias. O resultado individual de uma medição quântica não pode ser escolhido livremente pelo observador para codificar uma mensagem.
Imagine que duas pessoas, Alice e Bob, recebam partículas pertencentes ao mesmo sistema emaranhado. Alice realiza uma medição e obtém determinado resultado. Bob também mede sua partícula.
Cada um, observando apenas seus próprios dados, encontrará resultados que parecem aleatórios. A correlação especial surge quando posteriormente os dois conjuntos de resultados são comparados por meio de comunicação convencional.
Isso cria uma distinção fundamental:
- As partículas podem apresentar correlações quânticas extremamente fortes;
- O observador não controla o resultado individual da medição;
- Nenhuma mensagem utilizável é enviada instantaneamente;
- A comparação dos resultados ainda exige comunicação normal, limitada pela velocidade da luz.
Portanto, o fenômeno não oferece uma maneira conhecida de violar a relatividade de Einstein ou construir um comunicador instantâneo entre planetas.
O emaranhamento já saiu dos experimentos conceituais
Durante boa parte do século XX, o fenômeno estava associado principalmente às discussões sobre os fundamentos da mecânica quântica. Hoje, ele também ocupa uma posição importante no desenvolvimento de novas tecnologias.
Na computação quântica, sistemas emaranhados permitem criar relações entre qubits que não possuem equivalente direto nos bits tradicionais. Isso não significa que computadores quânticos sejam automaticamente mais rápidos em qualquer tarefa, mas certas estruturas quânticas podem ser exploradas por algoritmos específicos.
O fenômeno também aparece em pesquisas sobre:
- Redes quânticas, capazes de conectar diferentes sistemas quânticos;
- Distribuição quântica de informações, utilizando propriedades físicas sensíveis a interferências;
- Sensores quânticos, desenvolvidos para realizar medições extremamente precisas;
- Teleportação quântica, na qual o estado quântico de um sistema pode ser transferido utilizando emaranhamento e comunicação clássica.
O nome teleportação costuma provocar confusão. Nenhuma pessoa ou objeto é desmontado em um lugar e reconstruído em outro. O que pode ser transferido é a informação associada a um estado quântico, obedecendo às regras da mecânica quântica.
Por que partículas emaranhadas são tão difíceis de controlar
Criar um estado emaranhado é apenas parte do desafio. Preservá-lo pode ser ainda mais complicado.
Sistemas quânticos são extremamente sensíveis à interação com o ambiente. Calor, vibrações, radiação eletromagnética e contato com outras partículas podem destruir características importantes do estado que os pesquisadores pretendem utilizar.
Esse processo está relacionado à chamada decoerência quântica.
Quanto maior e mais complexo o sistema, mais difícil costuma ser mantê-lo isolado das interferências externas. Esse é justamente um dos grandes obstáculos enfrentados no desenvolvimento de computadores quânticos capazes de operar com grandes quantidades de qubits de maneira confiável.
Por isso, laboratórios utilizam técnicas sofisticadas de refrigeração, isolamento, controle de partículas e correção de erros para preservar estados quânticos durante tempo suficiente para realizar operações úteis.
A física não precisa de uma conexão invisível entre as partículas
Talvez a parte mais importante do emaranhamento seja abandonar a tentativa de descrevê-lo usando apenas analogias do nosso cotidiano. Dizer que uma partícula simplesmente “avisa” a outra sobre o resultado pode ser intuitivo, mas introduz uma comunicação que os experimentos não demonstram.
A mecânica quântica descreve o sistema emaranhado como um todo, e é essa descrição conjunta que produz as correlações observadas quando as medições são realizadas.
Mais de um século depois do nascimento da física quântica, o fenômeno continua desafiando nossa intuição, mas deixou de ser apenas uma curiosidade teórica. O que começou como parte de uma discussão sobre a própria natureza da realidade hoje está no centro da computação, das redes e das tecnologias quânticas que pesquisadores tentam transformar em sistemas cada vez mais controláveis.
