Emaranhamento quântico em attossegundos: a equipa de Joachim Burgdörfer na TU Wien mede o início

No universo da física quântica, acontecimentos extraordinários desenrolam-se a velocidades difíceis de conceber. Fenómenos antes tidos como instantâneos - como o emaranhamento quântico - estão agora a ser medidos de forma directa em parcelas minúsculas de tempo: attossegundos.

É como imobilizar um instante quase imperceptível para revelar pormenores subtis que, de outra forma, passariam despercebidos.

Em colaboração com uma equipa de investigadores da China, o Prof. Joachim Burgdörfer e colegas do Instituto de Física Teórica da TU Wien estão a analisar estes momentos fugazes para perceber como, na prática, o emaranhamento quântico se forma.

O foco destes cientistas não é discutir se o emaranhamento existe; o objectivo é esclarecer como ele se inicia - isto é, de que modo duas partículas passam a ficar emaranhadas.

Compreender o emaranhamento quântico

Com simulações computacionais avançadas, o grupo conseguiu “espreitar” processos que decorrem à escala de attossegundos - um mil milionésimo de um mil milionésimo de segundo.

O emaranhamento quântico é um fenómeno simultaneamente estranho e fascinante: duas partículas tornam-se tão interligadas que partilham um único estado.

É como se existissem duas moedas mágicas que dão sempre o mesmo resultado - lança-se uma e a outra, misteriosamente, mostra o mesmo lado, mesmo que esteja a muitos quilómetros de distância.

“Pode dizer-se que as partículas não têm propriedades individuais, têm apenas propriedades comuns. Do ponto de vista matemático, pertencem firmemente uma à outra, mesmo que estejam em dois locais completamente diferentes”, explica o Prof. Burgdörfer.

Isto implica que, ao medir uma das partículas, o estado da outra é afectado de imediato, independentemente da distância entre ambas.

De forma simples, partículas emaranhadas partilham uma ligação que lhes permite “comunicar” instantaneamente: mede-se uma e fica-se, naquele momento, a saber algo sobre a sua parceira.

Este comportamento contraria a nossa intuição do dia-a-dia sobre o funcionamento do mundo, tornando o emaranhamento um dos conceitos mais desconcertantes da física quântica.

Medições com lasers e electrões

Por mais difícil de aceitar que o emaranhamento possa parecer, já não está em causa provar se é verdadeiro - e é precisamente isso que este trabalho não pretende.

“Nós, pelo contrário, estamos interessados noutra coisa - em descobrir como este emaranhamento se desenvolve desde o início e que efeitos físicos têm importância em escalas de tempo extremamente curtas”, afirma a Prof. Iva Březinová, uma das autoras da publicação.

Para investigar o problema, a equipa estudou átomos atingidos por um impulso laser extremamente intenso e de alta frequência. É como apontar uma lanterna superpotente a um átomo.

Um dos electrões recebe tanta energia que se liberta e é projectado para fora. Se o laser for suficientemente forte, um segundo electrão, ainda no interior do átomo, também é “sacudido”: passa para um nível de energia mais elevado e altera a sua órbita em torno do núcleo.

Assim, após esta descarga luminosa intensa, um electrão segue livre e afastado, enquanto o outro permanece no átomo, mas já num estado diferente do anterior.

“Podemos mostrar que estes dois electrões ficam agora emaranhados quanticamente”, diz o Prof. Burgdörfer. “Só os pode analisar em conjunto - e pode efectuar uma medição num dos electrões e, ao mesmo tempo, aprender algo sobre o outro electrão.”

O tempo torna-se difuso em attossegundos

É aqui que o cenário se torna especialmente intrigante. O electrão que sai do átomo não tem um instante único e bem definido de saída.

“Isto significa que o instante de nascimento do electrão que se afasta não é, em princípio, conhecido. Pode dizer-se que o próprio electrão não sabe quando abandonou o átomo”, observa o Prof. Burgdörfer.

Ele encontra-se numa chamada superposição quântica, ou seja, existe em vários estados ao mesmo tempo.

E há ainda um detalhe adicional: o momento em que o electrão parte está relacionado com o estado de energia do electrão que fica.

Se o electrão remanescente tiver mais energia, é mais provável que o electrão que saiu o tenha feito mais cedo. Se o electrão que permaneceu estiver num estado de energia mais baixo, então o outro electrão terá, em média, saído mais tarde - cerca de 232 attossegundos depois.

Medir o que parece impossível

Um attossegundo é tão curto que ultrapassa a capacidade de compreensão da maioria das pessoas. Ainda assim, estas pequenas diferenças não são apenas exercícios teóricos.

“Estas diferenças não só podem ser calculadas, como também medidas em experiências”, afirma o Prof. Burgdörfer.

A equipa delineou um protocolo de medição que combina dois feixes laser distintos, com o objectivo de registar esta temporização difícil de capturar.

Além disso, já estão a trabalhar em conjunto com outros investigadores que querem testar e observar estes emaranhamentos ultrarrápidos em laboratório.

Importância do emaranhamento quântico

Compreender como o emaranhamento se forma pode ter impactos relevantes em tecnologias quânticas, como a criptografia e a computação.

Em vez de apenas tentar preservar estados emaranhados, passa a ser possível estudar o seu exacto momento de aparecimento. Isto poderá abrir caminho a novas formas de controlar sistemas quânticos e de reforçar a segurança das comunicações quânticas.

O trabalho não fica por aqui: o Prof. Burgdörfer e a sua equipa estão motivados para as próximas etapas.

“Já estamos em conversações com equipas de investigação que querem provar estes emaranhamentos ultrarrápidos”, partilha.

Ao explorar escalas de tempo tão curtas, não estão apenas a observar efeitos quânticos - estão a redefinir a forma como entendemos a própria estrutura da realidade.

Emaranhamento quântico na TU Wien e o futuro

Fica claro que, no mundo quântico, até os instantes mais breves encerram uma enorme quantidade de informação.

“O electrão não salta simplesmente para fora do átomo. É uma onda que, por assim dizer, se derrama para fora do átomo - e isso demora um certo tempo”, explica Iva Březinová.

“É precisamente durante esta fase que ocorre o emaranhamento, cujo efeito pode depois ser medido com precisão ao observar os dois electrões”, conclui.

Da próxima vez que piscar os olhos, lembre-se de que, em menos de um bilionésimo desse tempo, se desenrolam acontecimentos quânticos completos, revelando segredos capazes de influenciar o futuro da tecnologia e a nossa compreensão do Universo.

O estudo completo foi publicado na revista Cartas de Revisão Física.