Uma nanoesfera de vidro levitada e a luz revelam emaranhamento quântico

Um minúsculo grão de vidro, suspenso por um feixe de luz, acaba de abrir uma nova janela para o domínio quântico.

No que poderá ser a discoteca mais pequena do mundo, físicos entrelaçaram de tal forma as propriedades do grão e da luz que já não era possível descrever um sem incluir a outra.

Trata-se de emaranhamento quântico. A experiência representa a primeira demonstração de emaranhamento persistente entre o movimento de um objeto levitado e a luz que se afasta dele, sem que tenha sido necessário arrefecer criogenicamente o aparelho.

Segundo os investigadores, este marco poderá abrir novos caminhos para a comunicação quântica e para testes da física quântica.

«Sempre me fascinou a possibilidade de observar efeitos quânticos em sistemas macroscópicos, algo que acontece sobretudo em experiências de optomecânica quântica», afirmou à ScienceAlert o físico Francesco Marin, da Universidade de Florença, em Itália.

Marin e os colegas já tinham demonstrado que era possível usar luz para arrefecer o movimento de uma nanoesfera de vidro levitada, levando-a até ao estranho domínio em que os efeitos quânticos começam a ganhar importância.

«O meu objetivo seguinte era levar a interação entre a luz e o movimento da nanoesfera ao ponto de gerar emaranhamento - possivelmente o fenómeno mais característico e contraintuitivo da mecânica quântica», disse Marin.

O emaranhamento quântico e a nanoesfera de vidro

O emaranhamento é uma das consequências mais invulgares da mecânica quântica: as propriedades de dois objetos ficam tão profundamente correlacionadas que deixam de poder ser descritas por completo de forma independente.

Os físicos já demonstraram este fenómeno inúmeras vezes com partículas minúsculas do domínio quântico, como fotões e átomos.

Mesmo nessa escala, as delicadas correlações do emaranhamento quântico são facilmente perturbadas pelas interações com o ambiente. E, quanto maior e mais complexo é um objeto, mais difícil se torna manter intacto o seu comportamento quântico.

Marin e a sua equipa quiseram descobrir se conseguiriam gerar emaranhamento a partir de uma minúscula esfera de vidro. Aos nossos olhos, seria totalmente invisível: media apenas 100 nanómetros de diâmetro, aproximadamente o tamanho de um vírus.

No entanto, face ao domínio quântico, esta nanopartícula seria um colosso, com dezenas de milhões de átomos.

O comportamento quântico que interessava aos investigadores não envolveria nenhum desses átomos individualmente, mas sim o movimento do centro de massa da esfera inteira.

Para preservar o isolamento necessário a esse comportamento, a esfera não estava presa a nada.

Ficou suspensa num feixe laser fortemente focado, denominado pinça ótica. Este usa a força exercida pela luz - a pressão de radiação - para manter a nanopartícula suspensa e confinada entre dois espelhos opostos que formam uma cavidade ótica, permitindo-lhe ainda oscilar em torno da posição de equilíbrio.

Tudo isto ocorreu dentro de uma câmara em quase vácuo, que isolou o movimento da esfera das perturbações ambientais que, de outro modo, apagariam o seu frágil comportamento quântico. Primeiro requisito cumprido.

Dois lasers para arrefecer e criar emaranhamento

Gerar emaranhamento, porém, revelou-se bastante mais complicado.

Para levar a nanoesfera ao regime quântico, os investigadores precisavam de luz que arrefecesse e estabilizasse o seu movimento. Mas a luz necessária para produzir emaranhamento fazia o contrário: aquecia o movimento da esfera e acabava por o desestabilizar.

A equipa tinha, por isso, de separar a tarefa de arrefecer a esfera da de a emaranhar com a luz.

«A solução foi desacoplar os dois fenómenos usando dois lasers distintos - um com desvio para o vermelho e outro com desvio para o azul, relativamente a diferentes ressonâncias da cavidade ótica - e combiná-los para formar uma única pinça de duas cores», explicou Marin.

Os dois lasers repartiram as tarefas. A luz com desvio para o vermelho arrefeceu e estabilizou as pequenas oscilações da esfera, aproximando o seu movimento do estado fundamental quântico. A luz com desvio para o azul pôde então ocupar-se da tarefa principal: emaranhar esse movimento com a luz.

Mais concretamente, o emaranhamento ligou a posição e a quantidade de movimento da esfera, enquanto oscilava na armadilha, a propriedades da luz chamadas quadraturas, análogas à sua amplitude e fase.

«O emaranhamento significa que as flutuações quânticas destes dois sistemas já não podem ser descritas independentemente», disse Marin.

«Deixa de existir uma descrição quântica completa da ‘esfera’ e da ‘luz’ em separado. Uma medição das quadraturas da luz modifica, de alguma forma, o estado da nanoesfera. A descrição adequada é um estado conjunto do movimento mecânico e do campo eletromagnético.»

É importante notar que nada disto exigiu o arrefecimento de todo o aparelho a temperaturas criogénicas, como acontece em muitas experiências de optomecânica quântica.

Os lasers arrefeceram apenas o movimento da esfera, enquanto a levitação e o ambiente de quase vácuo protegeram esse movimento arrefecido das influências exteriores.

«Assim, o laboratório à volta está à temperatura ambiente, mas o grau de liberdade mecânico específico que estudamos é preparado a uma temperatura efetiva muito mais baixa», explicou Marin.

«A combinação de levitação, alto vácuo e arrefecimento ótico permite que as correlações quânticas se desenvolvam antes de serem destruídas pelo aquecimento ambiental.»

Como a luz revelou o emaranhamento quântico

Criar emaranhamento é, contudo, apenas metade do desafio. A outra metade consiste em provar que as correlações são efetivamente de natureza quântica, em vez de resultarem da física clássica.

É aqui que a engenhosidade da experiência se torna evidente: a prova estava inscrita na luz que se afastava da esfera.

À medida que a esfera oscilava dentro da cavidade ótica, a informação sobre o seu movimento ficava codificada na luz.

Ao medir a luz que saía da cavidade, os investigadores puderam, assim, reconstruir as correlações entre a posição e a quantidade de movimento da esfera e as quadraturas da luz.

A mecânica quântica estabelece um limiar que distingue sistemas emaranhados de sistemas separáveis. Quando a equipa reconstruiu o padrão completo das correlações, as medições ultrapassaram esse limiar e permaneceram do lado do emaranhamento, mesmo depois de os investigadores terem tido em conta as incertezas experimentais e alterado os pressupostos usados na análise.

«É isso que nos dá confiança de que as correlações que observamos são genuinamente quânticas e correspondem a emaranhamento entre o movimento da nanoesfera e a luz», afirmou Marin.

O resultado, porém, não se anunciou com um clarão súbito num ecrã. A experiência teve de decorrer durante horas até a câmara atingir uma pressão suficientemente baixa, mantendo-se três sistemas laser estáveis durante todo esse período.

Mesmo depois de iniciada a recolha de dados, as provas foram surgindo lentamente.

«Depois de otimizado o método de análise, processamos conjuntos de dados cada vez maiores e, gradualmente, a presença de emaranhamento emerge com significância estatística», disse Marin.

«É um momento de alívio… percebemos que conseguimos.»

O que torna o resultado particularmente útil, porém, é o que aconteceu a seguir à luz emaranhada: afastou-se.

Ao contrário da pequena esfera de vidro, as correlações quânticas não ficaram confinadas à luz presa entre os espelhos da cavidade ótica. Persistiram na luz que se propagava para longe da nanoesfera, transformando-a em algo que poderia, pelo menos em princípio, transportar essas correlações para outro lugar.

«Um campo que existe apenas dentro de uma cavidade é difícil de usar como recurso quântico noutro local. Quando a luz sai da cavidade, porém, torna-se um sistema quântico em propagação. Em princípio, pode ser transmitida através de uma rede ótica, medida noutro local ou levada a interagir com outro dispositivo quântico», explicou Marin.

«O campo em propagação é, essencialmente, o canal que poderá ligar o sistema mecânico ao mundo exterior.»

Ainda há, no entanto, muito trabalho pela frente até que isso seja possível.

Os investigadores precisam de reforçar o emaranhamento e aprender a controlá-lo de forma dinâmica, em vez de se limitarem a observar o estado estacionário. Estes passos poderão, no futuro, permitir escrever, armazenar e recuperar informação quântica no oscilador mecânico.

A interface fundamental sobre a qual se poderá construir já está, contudo, estabelecida e pronta a ser utilizada.

«O próximo desafio é transformar essa interface, de algo que observamos, em algo que possamos usar ativamente», disse Marin, «e, por fim, ligar várias dessas interfaces - várias nanoesferas em diferentes pinças óticas - num sistema quântico maior».

A investigação foi publicada na revista Science.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos apenas humanos. Se encontrar algum erro, avise-nos.