O surgimento do emaranhamento quântico é um dos processos mais rápidos da natureza. Cientistas da TU Wien (Viena) mostram que, usando truques especiais, isso pode ser investigado em escala de attossegundos.
A teoria quântica descreve eventos que ocorrem em escalas de tempo extremamente curtas. No passado, tais acontecimentos eram considerados “momentâneos” ou “instantâneos”: um electrão orbita o núcleo de um átomo – no momento seguinte é subitamente arrancado por um flash de luz. Duas partículas colidem – no momento seguinte elas ficam subitamente “emaranhadas quânticas”.
Hoje, contudo, o desenvolvimento temporal de tais efeitos quase “instantâneos” pode ser investigado. Juntamente com equipes de pesquisa da China, a TU Wien (Viena) desenvolveu simulações computacionais que podem ser usadas para simular processos ultrarrápidos. Isso torna possível descobrir como surge o emaranhamento quântico em uma escala de tempo de attossegundos. Os resultados foram agora publicados na revista ‘Physical Review Letters’.
Duas partículas – um objeto quântico
Se duas partículas estão emaranhadas quânticas, não faz sentido descrevê-las separadamente. Mesmo que você conheça perfeitamente bem o estado desse sistema de duas partículas, não poderá fazer uma afirmação clara sobre o estado de uma única partícula. “Poderíamos dizer que as partículas não têm propriedades individuais, elas apenas têm propriedades comuns. Do ponto de vista matemático, elas pertencem firmemente umas às outras, mesmo que estejam em dois lugares completamente diferentes”, explica o Prof. Joachim Burgdörfer do Instituto de Física Teórica na TU Wien.
Em experimentos com partículas quânticas emaranhadas, os cientistas geralmente estão interessados em manter esse emaranhado quântico pelo maior tempo possível – por exemplo, se quiserem usar o emaranhamento quântico para criptografia quântica ou computadores quânticos. “Nós, por outro lado, estamos interessados em outra coisa – em descobrir como esse emaranhado se desenvolve e quais efeitos físicos desempenham um papel em escalas de tempo extremamente curtas”, diz o Prof. Iva Brezinová, um dos autores do a publicação atual.
Um elétron sai correndo, outro fica com o átomo
Os pesquisadores analisaram átomos que foram atingidos por um pulso de laser extremamente intenso e de alta frequência. Um elétron é arrancado do átomo e voa para longe. Se a radiação for suficientemente forte, é possível que um segundo eletrão do átomo também seja afetado: pode ser deslocado para um estado com energia mais elevada e depois orbitar o núcleo atómico num caminho diferente.
Assim, após o pulso do laser, um elétron voa e outro permanece com o átomo com energia desconhecida. “Podemos mostrar que estes dois eletrões estão agora emaranhados quânticamente”, diz Joachim Burgdörfer. “Você só pode analisá-los juntos – e pode realizar uma medição em um dos elétrons e aprender algo sobre o outro elétron ao mesmo tempo.”
O próprio elétron não sabe quando ‘nasceu’
A equipa de investigação conseguiu agora demonstrar, utilizando um protocolo de medição adequado que combina dois feixes de laser diferentes, que é possível alcançar uma situação em que a ‘hora de nascimento’ do electrão que se afasta, ou seja, o momento em que deixou o átomo , está relacionado ao estado do elétron que fica para trás. Essas duas propriedades estão emaranhadas quânticas.
“Isso significa que a hora de nascimento do elétron que voa para longe não é conhecida em princípio. Pode-se dizer que o próprio elétron não sabe quando deixou o átomo”, diz Joachim Burgdörfer. “Está em uma superposição física quântica de diferentes estados. Deixou o átomo em um ponto anterior e posterior no tempo.”
Não é possível responder qual o momento em que “realmente” ocorreu – a resposta “real” a esta questão simplesmente não existe na física quântica. Mas a resposta está fisicamente quântica ligada ao – também indeterminado – estado do elétron que permanece com o átomo: se o elétron restante estiver em um estado de energia mais alta, então o elétron que voou para longe teria mais probabilidade de ter sido arrancado em um ponto inicial no tempo; se o elétron restante estiver em um estado de energia mais baixa, então o ‘tempo de nascimento’ do elétron livre que voou foi provavelmente mais tarde – em média, cerca de 232 attossegundos.
Este é um período de tempo quase inimaginavelmente curto: um attosegundo é um bilionésimo de bilionésimo de segundo. “No entanto, estas diferenças não só podem ser calculadas, mas também medidas em experiências”, diz Joachim Burgdörfer. “Já estamos conversando com equipes de pesquisa que querem provar esses emaranhados ultrarrápidos”.
A estrutura temporal de eventos ‘instantâneos’
O trabalho mostra que não é suficiente considerar os efeitos quânticos como “instantâneos”: correlações importantes só se tornam visíveis quando se consegue resolver as escalas de tempo ultracurtas destes efeitos. “O elétron não simplesmente salta do átomo. É uma onda que sai do átomo, por assim dizer – e isso leva um certo tempo”, diz Iva Brezinová. “É precisamente durante esta fase que ocorre o emaranhamento, cujo efeito pode então ser medido com precisão posteriormente, observando os dois elétrons.”
Publicação original
W. Jiang et al., Atrasos de tempo como sonda de attosegundo de coerência e emaranhamento intereletrônicos, Phys. Rev. 133, 163201.