Físicos da Universidade de Basileia observaram o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen da mecânica quântica em um sistema de centenas de partículas em interação.
O fenômeno remonta a um famoso experimento mental de 1935. Ele permite prever com precisão os resultados das medições e pode ser usado em novos tipos de sensores e métodos de imagem para campos eletromagnéticos. Os resultados foram publicados recentemente na revista Science.
Com que precisão podemos prever os resultados das medições em um sistema físico? No mundo das minúsculas partículas, que é governado pelas leis da mecânica quântica, existe um limite fundamental à exatidão das previsões.
Esse limite é expresso pela relação de incerteza de Heisenberg, que afirma que é impossível prever simultaneamente, por exemplo, as medições da posição e o momento de uma partícula, ou de dois componentes de um spin, com precisão arbitrária.
Uma diminuição paradoxal da incerteza
Em 1935, no entanto, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen publicaram um artigo famoso em que mostraram que as predições precisas são teoricamente possíveis sob certas circunstâncias. Para isso, eles consideraram dois sistemas, A e B, no que é conhecido como um estado de “emaranhamento”, no qual suas propriedades estão fortemente correlacionadas.
Nesse caso, os resultados das medições no sistema A podem ser usados para prever os resultados das medições correspondentes no sistema B com, em princípio, precisão arbitrária. Isso é possível mesmo se os sistemas A e B estiverem separados espacialmente. O paradoxo é que um observador pode usar medidas no sistema A para fazer afirmações mais precisas sobre o sistema B do que um observador que tenha acesso direto ao sistema B (mas não para o sistema A).
Primeira observação em um sistema de múltiplas partículas
No passado, experimentos usaram átomos leves ou individuais para estudar o paradoxo de EPR, que leva suas iniciais aos cientistas que o descobriram. Agora, uma equipe de físicos liderada pelo professor Philipp Treutlein do Departamento de Física da Universidade de Basileia e do Instituto Suíço de Nanociência (SNI) observou com sucesso o paradoxo de EPR usando um sistema de múltiplas partículas de várias centenas de átomos interagindo pela primeira vez.
O experimento usou lasers para resfriar átomos e apenas alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Nessas temperaturas, os átomos se se comportam completamente de acordo com as leis da mecânica quântica e formam o que é conhecido como um condesado de Bose-Einstein, um estado da matéria que Einstein previu em outro estudo pioneiro em 1925. Nessa nuvem ultra-fria, os átomos colidem constantemente entre si, fazendo com que seus spins se emaranhem.
Em seguida, os pesquisadores realizaram medições centrífugas em regiões separadas espacialmente do condesado. Graças às imagens de alta resolução, eles foram capazes de medir diretamente as correlações de spin entre as regiões separadas e, ao mesmo tempo, localizar os átomos em posições precisamente definidas. Com o experimento, os pesquisadores conseguiram usar medições em uma determinada região para prever os resultados para outra região.
“Os resultados das medições nas duas regiões estavam tão fortemente correlacionadas que nos permitiram demonstrar o paradoxo de EPR”, disse o estudante de doutorado Matteo Fadel, principal autor do estudo, em um comunicado. “É fascinante observar um fenômeno tão fundamental da mecânica quântica em sistemas cada vez maiores. Ao mesmo tempo, nossos experimentos estabelecem uma ligação entre duas das obras mais importantes de Einstein”.
No caminho da tecnologia quântica
Além de sua pesquisa básica, os cientistas estão especulando sobre possíveis aplicações para sua descoberta. Por exemplo, as correlações que estão no coração do paradoxo de EPR poderiam ser usadas para melhorar os sensores atômicos e métodos de imagens para campos eletromagnéticos.
O desenvolvimento de sensores quânticos desse tipo é um dos objetivos do National Centre of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), em que a equipe de pesquisadores está ativamente envolvida.
Referência
- Matteo Fadel, Tilman Zibold, Boris Décamps e Philipp Treutlein. Spatial entanglement patterns and Einstein-Podolsky-Rosen steering in Bose-Einstein condensates. Science (2018), doi: 10.1126/science.aao1850
