O prêmio Nobel de Física de 2022 foi atribuído aos cientistas Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger pelos seus estudos no campo da física quântica. Através de experimentos, esses físicos conseguiram confirmar a teoria do entrelaçamento quântico, o que os levou à conclusão de que o universo não é localmente real. Mas o que isso significa? O que é entrelaçamento quântico? Por que isso é relevante? Para entender tudo isso, é preciso entender a história por trás do surgimento da teoria quântica.
Imagem 1: Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger
Por muito tempo, a Física Clássica foi considerada o modelo de pensamento mais aceito. Essa, que tem como principal representante o cientista Isaac Newton, se baseia em leis que, supostamente, seriam capazes de determinar como um objeto se comporta em qualquer instante de tempo. Porém, no início do século XX, devido ao avanço da astronomia e da física de partículas, começaram a surgir cada vez mais fenômenos e questionamentos que não conseguiam ser explicados através da física clássica. Como consequência, surgiram novos ramos de pensamento que, como conjunto, foram chamados de Física Moderna. As duas teorias mais importantes desse novo campo de estudo são a Teoria da Relatividade Geral, de Albert Einstein, e a Teoria Quântica, de Max Planck.
Apesar de ambas se apresentarem como extremamente promissoras, havia uma grande divergência entre elas, fazendo com que sejam contraditórias: a aplicação da probabilidade à física.
Apesar da teoria de Einstein se opor à Física Clássica em diversos pontos, ambas defendiam que as propriedades físicas de um objeto são fixas, isto é, são definidas no instante em que este de forma. Nesse sentido, se uma árvore cai na floresta ela faz barulho independentemente se há alguém para ouvi-la ou não. Sendo assim, a Teoria da Relatividade Geral rejeita a probabilidade por basear-se na ideia de que as propriedades são imutáveis.
Porém, no caso da Física Quântica, o seu grande ponto de divergência com a Física Clássica é a introdução da chance. Em busca de novas leis para explicar o mundo subatômico, esse ramo de pensamento afirma que as propriedades das partículas são indeterminadas até serem observadas. Desta forma, se uma árvore cai na floresta, não se sabe se ela fez um som ou não, uma vez que não havia ninguém para observá-la. Assim, a física quântica defende que as propriedades são mutáveis até serem observadas, que seria quando se consolidaram. Devido à enorme dificuldade enfrentada na detecção de partículas subatômicas, seria necessária a introdução da probabilidade à física para viabilizar o seu estudo.
Einstein, então, cria o conceito de entrelaçamento quântico em uma tentativa de contestar a teoria de Planck, que veio a ser conhecida como o Paradoxo de EPR (Einstein–Podolsky–Rosen, os autores do artigo que discute o paradoxo). Em um experimento teórico, o cientista propõe a observação de duas partículas que surgiram da divisão de uma partícula anterior. Segundo a lei da Conservação de Momento, que afirma que a força e a energia de um sistema se conserva após uma mudança nele (ou seja, elas apenas se transformam), se a partícula anterior estivesse completamente parada quando fosse dividida, os novos objetos que surgiram dessa mudança devem adotar propriedades mecânicas opostas a fim de conservar o momento. Isso significa que se um girasse no sentido horário, o outro obrigatoriamente teria que girar no sentido anti-horário. Sendo assim, essas partículas estão, de uma forma, interligadas pois interferem nas propriedades uma da outra. O conceito de entrelaçamento quântico vai mais além ao dizer que essa conexão faria com que esses objetos pudessem se influenciar instantaneamente, independentemente da distância entre eles.
Imagem 2: Representação gráfica do entrelaçamento quântico
O artigo do EPR se baseia nos conceitos de localidade e realidade para argumentar que esse entrelaçamento seria impossível. Localidade se refere à ideia de que um objeto só pode ser influenciado por algo que está próximo a ele, isto é, que causa e efeito não se movem mais rápido que a velocidade da luz; e realidade se refere à ideia de que as propriedades existem antes de serem observadas, ou seja, são fixas. Assim, o paradoxo propõe uma situação em que duas partículas entrelaçadas são separadas, tendo uma distância tão grande entre elas que até mesmo a luz demoraria alguns minutos para chegar de uma extremidade à outra. Nessas condições, Einstein afirma que se um dos objetos sofresse uma mudança em suas propriedades, o outro se manteria nas suas condições originais até que a informação dessa modificação chegasse a ele através de ondas gravitacionais. Isso significa que a segunda partícula não sofreria uma mudança instantânea, levando à conclusão de que o universo é localmente real.
Sendo assim, Einstein afirma que haveria informações, ainda ocultas aos humanos, que indicariam como as propriedades de uma partícula se consolidam e as denomina variáveis escondidas. Ao colocar em prática o experimento proposto pelo Paradoxo do EPR, essas variáveis supostamente seriam descobertas.
Por 30 anos, ninguém conseguiu refutar o argumento do EPR, uma vez que a dificuldade para observar partículas subatômicas faziam com que a aplicação do experimento fosse inviável. Porém, tudo isso mudou quando o físico John Bell prova matematicamente que havia uma forma de testar se realmente haviam variáveis escondidas. Ele propõe a observação de dois fótons (partículas pelas quais a luz se propaga) entrelaçados. Esses, após estarem separados por uma distância grande o suficiente para colocar em prática o experimento, passariam por polarizadores, objetos que ajudam a detectar as propriedades desse tipo de partícula. Se localidade e realidade fossem reais, qualquer correlação (resultados iguais em ambos os polarizadores) seria aleatória, uma vez que os fótons não conseguiriam se influenciar instantâneamente. Assim, a quantidade de correlações deveria ser menor a um certo valor, o qual Bell definiu através das Inequações de Bell.
Por fim, chegamos aos estudos de Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, que receberam o Prêmio Nobel por realizarem o experimento proposto pelo Paradoxo do EPR e utilizarem as Inequações de Bell para interpretar os resultados obtidos. Para a surpresa de muitos, as correlações observadas por eles foram muito maiores do que a quantidade prevista por Bell, o que significa que o entrelaçamento quântico é real, visto que não existem variáveis escondidas. Desta forma, concluiu-se que o universo não é localmente real.
Com base nesses resultados, Clauser e Zeilinger conseguiram promover avanços nos estudos de computadores quânticos e teleportação quântica. Para o primeiro, a comprovação do entrelaçamento quântico é essencial, uma vez que agora que se sabe que as partículas podem criar conexões, estas podem ser usadas para construir tecnologia mais avançada que a dos computadores regulares. O segundo, por outro lado, não é viabilizado por essa descoberta, uma vez que, apesar de ser possível transmitir informações instantaneamente a qualquer distância, essas são aleatórias e, portanto, para tornar a teleportação quântica, é necessário primeiro aprender se é possível manipular as propriedades das partículas.
Imagem 3: Computador quântico
Em suma, o Prêmio Nobel de Física de 2022 foi atribuído a três cientistas que, além de provarem que Einstein estava errado, o que é raro, proporcionaram a resolução de um dos grandes debates da Física Moderna. Os resultados obtidos pelos seus estudos são extremamente promissores, viabilizando novas pesquisas em relação ao mundo quântico, abrindo diversas portas para o avanço da ciência.
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