No mundo cotidiano, os eventos ocorrem em uma ordem definida – o despertador toca antes de você acordar ou vice-versa. No entanto, um novo experimento mostra que, ao brincar com um fóton, pode ser impossível dizer em que ordem dois eventos ocorrem, obliterando nossa noção de senso comum de antes e depois e, potencialmente, enlameando o conceito de causalidade. Conhecida como um comutador quântico, a configuração poderia fornecer uma nova ferramenta útil na criação de tecnologias de informação quântica.
A mecânica quântica já torce nossa noção de que um objeto pode estar em apenas um lugar por vez. Graças à estranheza da mecânica quântica, uma pequena partícula como um elétron pode estar em vários lugares ao mesmo tempo. O comutador quântico atinge algo semelhante para dois eventos, A e B, mostrando que A pode ocorrer antes que B e B pode ocorrer antes de A.
“Estou muito animado para ver as pessoas percebendo a nossa ideia com um experimento real”, diz Giulio Chiribella, da Universidade de Oxford, no Reino Unido, um dos teóricos que em 2009 primeiro propôs o conceito.
Para demonstrar o efeito, Andrew White, um físico da Universidade de Queensland, em Brisbane, na Austrália, e seus colegas dispararam fótons através de um aparelho chamado interferômetro, no qual dois caminhos divergem e se juntam novamente. Um fóton é uma partícula e uma onda eletromagnética que pode ser polarizada para contorcer horizontalmente ou verticalmente. Os pesquisadores definem sua sonda de modo que, se o fóton estiver polarizado verticalmente, ele primeiro tomará o caminho esquerdo da sonda e, então, dando a volta e entrando no aparelho por meio de uma “porta” diferente, siga o caminho da direita. Se o fóton estiver polarizado horizontalmente, ele pegará o caminho da direita e depois o da esquerda.
Mas a mecânica quântica permite que o fóton seja polarizado em ambos os sentidos ao mesmo tempo, tornando-o diagonalmente polarizado. Quando um fóton diagonalmente polarizado entra no aparelho, a onda quântica o descreve dividindo-se em partes verticalmente polarizadas e polarizadas horizontalmente, e o fóton toma ambos os caminhos de uma vez antes que as ondas se fundam novamente na saída do aparelho. Quando o fóton repete a viagem, ele novamente pega os dois caminhos, embora qualquer parte da onda quântica do fóton tome cada caminho apenas uma vez. Assim, é impossível dizer em que ordem o fóton tomou o caminho.
A parte complicada é provar o que está acontecendo dentro do experimento. Os físicos não podem apenas inserir detectores que revelarão onde no labirinto o fóton pode estar. Mais uma vez, graças à esquisitice quântica, uma medida tão definitiva “entraria em colapso” da condição delicada de dois caminhos ao mesmo tempo do fóton e arruinaria o experimento. Em vez disso, os físicos devem encontrar uma maneira mais gentil de imprimir no fóton algum rastro que desceu por um determinado caminho.
Para fazer isso, eles aproveitam o fato de que, além de uma polarização, cada pulso de luz tem uma forma ou distribuição espacial. Os experimentadores podem suavemente mudar essa forma colocando lentes e outros elementos ópticos em cada caminho para mexer com o fóton que passa. Essas mudanças são os “eventos” reais do experimento e, dependendo de qual pequeno conjunto de mudanças os físicos realizam ao longo de cada caminho, a polarização do fóton pode mudar de uma direção diagonal para a outra, como as duas metades de seu recombina onda quântica. Essa conexão sutil é a chave para o experimento.
Ao longo de muitas tentativas, os físicos implementam diferentes combinações de mudanças de forma nos dois caminhos, como escolher entre um punhado de configurações para dois botões diferentes. Se cada fóton tiver um caminho ou outro primeiro, as correlações entre o ajuste do botão e a polarização final do fóton devem obedecer a certos limites. No entanto, se os dois caminhos forem os primeiros, as correlações excederão esses limites, o que é exatamente o que os físicos observam em um artigo publicado na Physical Review Letters.
Tal como está, os pesquisadores escolheram as operações nos dois caminhos independentemente. No entanto, em princípio, o experimento mostra que a mecânica quântica permite a possibilidade de que os dois processos possam desencadear um ao outro, diz Cyril Branciard, físico do Instituto Néel de Grenoble, na França, que trabalhou no experimento. “Pode haver situações em que algum evento A cause outro evento B, enquanto ao mesmo tempo B causa A.”
Em 2015, físicos da Universidade de Viena realizaram um experimento semelhante. No entanto, o novo experimento supera limitações técnicas no primeiro experimento e pode ser mais fácil de escalar para aplicações práticas, diz Caslav Brukner, um teórico da Universidade de Viena, que trabalhou no experimento anterior.
O comutador quântico pode ter aplicações em tecnologias de brotamento que, por exemplo, manipulam e transmitem informações codificadas nos estados quânticos de fótons individuais e outras partículas quânticas. Tais dispositivos devem passar partículas através de canais quânticos, como fibras ópticas, que invariavelmente sofrem com o ruído. Mas mesmo que dois desses canais sejam muito barulhentos para transmitir informações quânticas, eles poderiam, em princípio, ser transformados em uma chave quântica para permitir o fluxo de informações, diz Jacquiline Romero, físico quântico e membro da equipe de Queensland. “Você introduz a ordem indefinida e, de repente, você pode se comunicar”, diz ela. “Isso é bem legal!”