Pesquisador explora como você pode expandir sua mente para compreender o emaranhamento quântico

Meu novo artigo, “Quantum Entanglement of Optical Photons: The First Experiment, 1964–67”, pretende transmitir o espírito de um pequeno projeto de pesquisa que alcança um território desconhecido. O artigo rompe com a tradição, pois oferece um relato em primeira pessoa da estratégia e dos desafios do experimento, bem como uma interpretação do resultado final e seu significado. Neste editorial convidado, apresentarei o assunto e também tentarei esclarecer a questão “O que é um paradoxo?”

Vamos começar com o giroscópio que comprei quando tinha oito anos, em uma loja que vendia novidades e truques de mágica. O disco giratório, apoiado em uma extremidade de seu eixo, não caiu, mas se moveu lentamente em um plano horizontal. Esse comportamento parece misterioso ou paradoxal no contexto da experiência comum que exclui giroscópios, mas faz todo o sentido no contexto da mecânica newtoniana, que resolve o paradoxo ao prever precisamente como os giroscópios se comportarão.

A teoria quântica, concebida em meados da década de 1920, tem sido impressionantemente bem-sucedida em explicar as propriedades e interações de átomos e moléculas. Em 1935, Einstein, Podolsky e Rosen provocaram controvérsia com um experimento mental no qual duas partículas de origem comum se afastam, observando que a teoria quântica prevê correlações em medições subsequentes de seus spins. A correlação pode parecer bastante intrigante, pois uma medição em uma das partículas parece influenciar uma medição subsequente na outra, mesmo que as partículas não interajam.

Na terminologia atual, essas correlações são um exemplo de emaranhamento, e o fenômeno de correlação é conhecido como paradoxo EPR. O quebra-cabeça se tornou um assunto para muita discussão e análise, especialmente porque não havia (e não há) nenhum mecanismo conhecido para que as medições se comuniquem entre si.

Desembaraçar o emaranhamento

Em 1964, fiquei intrigado com esse efeito pouco familiar e comecei a pensar em uma maneira de realmente realizar o experimento EPR — ou pelo menos uma versão dele — observando a correlação e o emaranhamento. Seria um experimento de baixa energia que poderia ser montado em um pequeno laboratório.

Para o experimento descrito aqui, as partículas de interesse são fótons de luz visível, que não interagem, emitidos por átomos de cálcio excitados em um processo de emissão espontânea de dois estágios. Os estados de polarização dos fótons, que estão relacionados aos seus spins, podem ser medidos de forma simples, com polarizadores lineares comuns. Os detectores fotomultiplicadores contam os fótons individuais, #1 (verde) e #2 (violeta), e os circuitos de temporização permitem a identificação de pares de fótons do mesmo átomo. Um polarizador linear rotativo é montado na frente de cada detector.

Em termos mais simples, o experimento envolve contar a taxa na qual pares de fótons são detectados, como uma função da orientação dos polarizadores. Um par de fótons detectado do mesmo átomo é registrado como uma “contagem de coincidência”.

A teoria quântica faz as seguintes previsões:

1. Cada fóton, tomado separadamente, tem 50% de chance de ser transmitido pelo seu polarizador, independentemente do seu ângulo de orientação.
2. Se os eixos polarizadores forem paralelos, ambos os fótons do mesmo átomo podem passar por seus polarizadores e ser contados. Contagens de coincidência serão observadas.
3. Se os eixos polarizadores forem perpendiculares, nunca acontece que ambos os fótons passem por seus polarizadores. Portanto, nenhuma contagem de coincidência será observada.

As previsões nº 1 e nº 2 não são surpreendentes, pois os feixes de luz verde e violeta não são polarizados.

A previsão nº 3, discutida mais adiante no meu artigo, é um efeito de entrelaçamento quântico sem análogo na física clássica (não quântica). É especialmente interessante porque pode ser testado experimentalmente. Eu projetei o experimento especificamente para esse propósito.

Os resultados do experimento, após quase três anos de esforço no laboratório, demonstram claramente que as contagens de coincidências são registradas se os eixos polarizadores forem paralelos, e que nenhuma coincidência é registrada se os polarizadores forem perpendiculares. A concordância entre teoria e experimento é inequívoca e marcante.

Então, existe um paradoxo?

Em nossa breve discussão sobre o giroscópio, nenhum paradoxo foi reconhecido porque a teoria de Newton (dinâmica clássica) explica completamente como um giroscópio se move. Além disso, tanto a teoria quanto o comportamento giroscópico observado são compatíveis com nossa experiência de vida e capacidade intuitiva de compreender processos naturais no reino clássico.

No caso do emaranhamento, a teoria quântica é responsável pela correlação observada das polarizações de fótons. Mas mesmo quando uma teoria prevê resultados experimentais, um paradoxo pode permanecer se a intuição não puder se conectar a ela.

Dê outra olhada nas previsões #1 e #3 acima. Se recorrermos à nossa experiência de vida em um mundo não quântico, podemos notar algo muito estranho quando os polarizadores são “cruzados” a 90 graus. Se cada fóton tem 50% de chance de transmissão através de seu polarizador, por que não obtemos coincidências 25% das vezes? Em vez disso, não observamos nenhuma.

Em uma primeira consideração, isso parece se qualificar como um paradoxo. Uma possível explicação poderia envolver um componente ausente da teoria quântica — talvez um mecanismo causal que poderia permitir que um fóton, ou uma medição, se comunicasse com o outro. No entanto, apesar de extensa pesquisa, nenhuma evidência foi encontrada para tal mecanismo.

Como não vivemos em um mundo abertamente quântico, fenômenos clássicos podem influenciar nossos processos de pensamento — mesmo quando nos aventuramos no reino quântico. Portanto, pode permanecer um desafio assimilar o emaranhamento na intuição. Acredito que o paradoxo pode ser pelo menos parcialmente resolvido quando mais pensamento e experiência, como o experimento considerado aqui, ‘esticam a mente’ para abraçar mais completamente o emaranhamento e outros fenômenos quânticos.

Passei a ver esses aspectos da natureza como “estranhamente maravilhosos”.