Por Richard Haughton
Publicado na Nature
O título de uma notícia publica pela BBC semana passada, “Primeiro objeto teletransportado para a órbita terrestre”, tem que ser um dos mais fantásticos que você verá neste ano. Pela primeira vez, parece que o futuro que a ficção prometeu chegou, ou não…
O artigo falava sobre os relatórios de cientistas chineses de que eles transmitiram o estado quântico de um fóton na Terra para outro fóton em um satélite em baixa órbita terrestre, a cerca de 1400 quilômetros de distância [1]. Esse tipo de transmissão, primeiro demonstrado em um laboratório há 20 anos [2], é conhecido como teletransporte quântico. É um rótulo que pode enganar os incautos, como demonstra o título da BBC. Um texto do Discover Magazine informa que os cientistas transmitiram com sucesso partículas emaranhadas, apenas para esclarecer, confusamente, que “a contrário dos dispositivos de teletransporte da ficção científica, nada de físico está sendo transportado” Mas espere: alguém disse uma vez que a informação é física? foi o físico Rolf Landauer [3], um pioneiro na teoria da informação. Então, se você não enviar nada físico, como você pode transmitir qualquer coisa de A para B?
Esta é uma das questões profundas que os físicos e os filósofos ainda discutem. Podemos debater se o “teletransporte quântico” como um termo é uma maneira cativante de transmitir uma ideia científica ou um erro enganoso do hype. Mas a questão real, o que, exatamente, é transmitido durante o teletransporte quântico, e como, toca em questões muito mais profundas.
Teleférese quântica
Se os físicos Asher Peres e William Wootters estivessem presos em chamar essa “teleférese” ao processo quântico quando eles o conceberam pela primeira vez em 1993 [4], duvidamos que veríamos manchetes sobre isso hoje. Foi seu coautor, Charles Bennett, que sugeriu “teletransporte quântico”.
Seja como for chamado, o processo transfere o estado quântico de uma partícula para outra partícula idêntica e, ao mesmo tempo, apaga o estado no original. Esta situação não pode ser significativamente distinta de uma na qual a própria partícula original foi movida para o local de destino: o transporte não aconteceu realmente, mas para todas as aparências que ele também poderia ter.
Crucialmente, no entanto, isso funciona apenas se você não sabe quais “informações” você está enviando – ou seja, qual é o estado quântico da partícula original.
O teletransporte de um estado quântico usa o fenômeno do emaranhamento quântico como meio de transmissão. Quando duas ou mais partículas estão emaranhadas, seus estados quânticos são interdependentes, não importa quão distantes estejam. Como efeito, eles atuam como um único objeto quântico, descrito por uma única função de onda, construção matemática que codifica todas as propriedades quânticas do objeto.
O procedimento começa pelo emaranhamento de um par de partículas para configurar o canal de transmissão quântica. A partícula A é mantida pelo remetente – chamada de Alice e B é enviada ao destinatário, Bob. Como as partículas estão emaranhadas e, portanto, interdependentes, se Alice executa uma operação física sobre a dela, que pode ser instantaneamente refletida no estado de Bob. Alice também tem outra partícula C: uma cujo estado quântico não conhece, mas quer se “teletransportar” para B.
Para realizar o teletransporte, Alice faz um tipo especial de medição, chamado de medição de Bell, nas partículas A e C juntas. Crucialmente, isso não diz a ela qual é o estado C. Mas, devido ao emaranhamento entre A e B, ela coloca B em um estado que pode ser transformado em qualquer estado que C tenha originalmente, se Bob aplicar a operação correta. Ao fazer sua medida, no entanto, Alice apagou o próprio estado de C.
Mas qual é a operação que Bob precisa aplicar para completar o teletransporte? Ele pode deduzir isso do resultado da medida de Alice. Ela tem que comunicar esse resultado a ele por alguns meios clássicos – e-mail, telefone, pombo do portador, seja lá o que for. Uma vez que ela consegue, Bob sabe o que fazer para transformar B em uma forma idêntica ao estado original de C.
Cópia proibida
Uma visão comum é que o teletransporte quântico é uma nova maneira de transmitir informações: um tipo de Wi-Fi quântico de alta velocidade. O que é surpreendente é que a “informação” quântica é “enviada” instantaneamente – mais rápido do que a luz – porque é assim que as duas partículas emaranhadas se comunicam.
Mas isso não deve ser proibido pela teoria da relatividade especial de Albert Einstein? Sim – e esse problema estava na raiz das objeções de Einstein à interpretação padrão do emaranhamento quântico (ele apelidou de “ação fantasmagórica à distância”). O que a relatividade especial realmente proíbe é uma influência causal mais rápida do que a luz: um evento em um lugar não pode ter um efeito físico observável em outro lugar em menor tempo do que tempo que a luz leva para viajar entre os locais.
O teletransporte quântico não transmite uma influencia causal mais rápida do que a luz, porque você também precisa do canal clássico, limitado à velocidade da luz na melhor das hipóteses, para completar o processo.
É crucial que o estado teletransportado nunca seja medido diretamente. Manter esta informação “escondida” durante o teletransporte habilitado para emaranhamento, e destruí-la no original para enviá-la para o alvo, garante que nunca haja uma duplicata. O processo observa, portanto, um princípio fundamental na mecânica quântica, chamado de não-clonagem: é impossível fazer uma cópia de um estado quântico arbitrário [5].
Essa proibição causa problemas relacionados ao tratamento de erros na computação quântica, mas também permite a tecnologia chamada criptografia quântica, o que impossibilita a espionagem de uma mensagem codificada em estados quânticos sem ser detectada [6]. A não clonagem é mais do que uma complicação técnica da tecnologia de informação quântica. Alguns pesquisadores suspeitam que, ao invés de ser uma consequência das regras da mecânica quântica, é, de fato, um dos princípios profundos, quase um axioma fundamental, que resulta em fenômenos quânticos contra-intuitivos, como o emaranhamento [7].
O que é informação?
Então, o que exatamente está sendo transmitido através do emaranhamento sozinho? Esta é uma questão complicada para a teoria da informação quântica em geral: não é óbvio o que a “informação” significa aqui. Tal como acontece com outras palavras coloquiais adotadas pela ciência, é muito fácil imaginar que todos sabemos do que estamos falando. O “material” transmitido por emaranhamento não é informação no sentido da teoria da informação de Claude Shannon (onde é quantificada em termos de entropia, aumentando à medida que a “mensagem” fica mais aleatória), nem no sentido de um memorando de escritório (onde informações Torna-se significativo somente no contexto correto). Então, sobre o que é essa informação, exatamente?
Essa questão, no centro da teoria da informação quântica, não foi resolvida [8] [9]. É, por exemplo, informações sobre alguma realidade subjacente, ou sobre os efeitos da nossa intervenção nela? Informações universais para todos os observadores, ou pessoais para cada um? E pode ser significativo falar de informação quântica como algo que flui, como líquido em uma tubulação, de um lugar para outro? Ninguém sabe (apesar do que eles podem dizer). Se pudermos responder a essas perguntas, talvez possamos finalmente entender o que significa a mecânica quântica.
Portanto, a verdadeira maravilha do que chamamos de teletransporte quântico não é tanto o que podemos fazer com isso como tecnologia, mas o que revela sobre a estrutura quântica profunda do mundo.
Referências:
[1] Ren, J.-G. et al. Ground-to-satellite quantum teleportation
[2] Bouwmeester, D. et al. Experimental quantum teleportation, Nature 390, 575–579 (1997).
[3]Landauer, R. The physical nature of information,Phys. Lett. A 217, 188–193 (1996).
[4] Bennett, C. H. et al. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels, Phys. Rev. Lett. 70, 1895–1899 (1993)
[5] Wootters, W. K. & Zurek, W. H. A single quantum cannot be cloned, Nature 299, 802–803 (1982).
[6] Bennett, C. H., Brassard, G. & Ekert, A. K.Quantum Cryptography. Sci. Am. 267, 50–57 (1992).
[7] Clifton, R., Bub, J. & Halvorson, H. Found.Characterizing quantum theory in terms of information-theoretic constraints, Phys. 33, 1561–1591 (2003).
[8] Timpson, C. G. Preprint at.Quantum Information Theory and the Foundations of Quantum Mechanics,Foundations of Physics, Vol. 33, No. 11, November 2003 (© 2003)
[9] Schurig, D. et al. Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies, Science 314, 977–980 (2006).
