Como funciona a teoria do Teletransporte

Entenda como funciona o teletransporte e fique por dentro dos últimos experimentos científicos nessa área que até pouco tempo atrás era considerada ficção científica.

Por | @oficinadanet Ciência

De acordo com o dicionário de Oxford, teletransporte é o ato de transportar ou transportar-se instantaneamente entre dois pontos no espaço. Graças à grande quantidade de filmes de ficção já estamos familiarizados com este conceito. Mas como a física lida com isso? Antes de responder a essa pergunta, que é o eixo central deste artigo, introduzirei alguns conceitos históricos a respeito do teletransporte e seus princípios físicos.

Um pouco de história

Assim como buracos negros, o teletransporte não era levado a sério pelos cientistas. Isso se deve, principalmente, ao fato de que o teletransporte viola uma das leis fundamentais da física quântica, o princípio da incerteza. Sendo impossível violar leis físicas, o teletransporte era considerado tema de ficção cientifica, mas isso durou pouco.

O teletransporte deixou de ser ficção para se tornar ciência quando, em 1933, o físico Charles Bennette publicou no anual American Physical Society um artigo sobre a possibilidade do teletransporte. Charles, pesquisador da IBM na época, e sua equipe de seis cientistas confirmaram que, em teoria, o teletransporte quântico seria possível se o objeto transportado fosse destruído no processo. Nos anos subsequentes, uma gama de experimentos foi realizada em uma grande variedade de sistemas quânticos, provando experimentalmente a possibilidade do teletransporte.

A física do teletransporte: emaranhamento e o princípio da incerteza

Para um dispositivo realizar o teletransporte ele necessariamente precisa atuar em nível quântico, transportando cada átomo e cada partícula do objeto. Isso além de ser um pesadelo do ponto de vista da engenharia é uma dor de cabeça para os físicos e matemáticos pois o mundo quântico ainda não é bem compreendido. Sendo assim, os cientistas precisam ter conhecimento das leis que regem o ultramicroscópico mundo da física quântica para que o teletransporte possa finalmente ser entendido. E é esse o objetivo deste pequeno capítulo, a introdução de conceitos necessários para o entendimento satisfatório do processo do teletransporte.

Erwin Schrödinger foi o criador do conceito de emaranhamento que o definiu como uma capacidade de sistemas quânticos de exibirem correlações que não podem ser explicadas de forma clássica. Schrödinger falando sobre o emaranhamento escreveu: "Quando dois sistemas, cujos estados conhecemos através de seus representantes (funções de onda), entram em interação física temporária devido a forças conhecidas entre eles, e depois de um tempo de influência mútua os sistemas voltam a se separar, então eles não podem ser mais descritos da mesma forma que anteriormente, a saber, associando a cada um deles um representante próprio. Através da interação entre os dois representantes se tornam emaranhados.”

O emaranhamento é uma das propriedades fundamentais da física quântica. Fisicamente o fenômeno do emaranhamento quântico é melhor definido como "uma qualidade de todo sistema físico que não pode ser representado como um produto tensorial simples dos elementos dos espaços de Hilbert multiplicados". Mas o que isso quer dizer?

De forma simplória mas não equivocada o emaranhamento surge a partir da interação entre dois sistemas quânticos que se tornam relacionados, fazendo com que ao falar-se de um seja necessário falar do outro graças a seu profundo estado de ligação. Esses sistemas após tornarem-se emaranhados irão interagir mutuamente entre si, de forma que, ao se alterar um dos estados emaranhados o outro será alterado instantemente devido a não-localidade quântica.

A não-localidade é uma propriedade de sistemas quânticos emaranhados. Responsável pela chamada “ação a distância”, a não-localidade possibilita que dois estados emaranhados troquem informação independemente da distância entre eles. Devido a não-localidade quando em um sistema quântico uma função de onda é colapsada devido ao ato da medição, automaticamente seu estado “parceiro” será também colapsado. Podemos observar isso se tivermos, por exemplo, um par de elétrons entrelaçados e separados por uma grande distância. Ao se alterar as propriedades de um desses elétrons o outro automaticamente perceberá a alteração e mudará suas propriedades para se adaptar a nova situação.

O emaranhamento é fundamental para o teletransporte quântico, uma vez que é este que permite que a informação seja transportada de um sistema para o outro entre sistemas entrelaçados. Enquanto o emaranhamento permite a possibilidade teórica do teletransporte, o próximo item, o princípio da incerteza, dificulta sua existência.

Com o conceito de emaranhamento já bem esclarecido podemos tratar agora do princípio da incerteza. Criado em 1927 pelo físico Wener Heisenberg esse princípio é uma das leis mais fundamentais e importantes do mundo quântico. De forma resumida, ele torna o cálculo simultâneo de duas medidas quânticas impreciso pois quanto maior a precisão da medida, maior a perturbação criada nesse sistema devido a medição. Dessa forma, quando há precisão total o sistema foi totalmente deturpado tornando impossível a extração de qualquer informação útil. Por mais estranho que pareça, o princípio da incerteza não é causado por equipamentos imprecisos ou defeituosos ele é uma propriedade fundamental da natureza e não pode ser descartado.

Quando Heisenberg publicou seu artigo sobre o princípio da incerteza ele, para explica-lo, disse: “Quando mais precisa é a posição, menos preciso é o conhecimento do momentum neste instante, e vice-versa.” O momentum ou momento linear de partícula pode ser obtido através do produto de massa vezes sua velocidade. Em uma experiência hipotética podemos, por exemplo, determinar com precisão a massa de uma partícula porém para isso teríamos que sacrificar toda chance de obter informações sobre a velocidade e localização dessa partícula.

O Teletransporte quântico

Em um experimento padrão de teletransporte os físicos utilizam um laser apontado diretamente para um cristal com propriedades ópticas não lineares. Ocasionalmente os fótons serão convertidos em dois fótons de menor energia e, às vezes, esses fótons terão sua polarização entrelaçada. Depois, o laser é apontado para um espelho que refletirá a luz de volta ao cristal criando um segundo par. Por convenção os fótons do primeiro par são chamados de 2 e 3 e os fótons do segundo par são chamados de 1 e 4.

O objetivo do experimento é teletransportar a polarização do fóton 1 para o fóton 3. Isso normalmente é obtido realizando uma medição dos fótons 1 e 2 o que alterará suas polarizações devido ao princípio da incerteza o que resultará na alteração da polarização do fóton 3 que está entrelaçado com os fótons 1 e 2 adquirindo assim sua polarização. Em outras palavras a polarização do fóton 1 que era desconhecida devido ao distúrbio no sistema causado pela medição foi teletransportada para o fóton 3.

Como funciona a teoria do Teletransporte

O problema do teletransporte quântico é que durante o processo o fóton 1 precisa ser destruído. A matéria nunca é transportada e sim sua informação, que cria uma réplica do fóton 1 no sistema dos fótons 2 e 3. Isso, claro, só é possível devido ao entrelaçamento, que age nos sistemas unindo-os intimamente.

“Quando físicos teletransportaram fótons pela primeira vez em1997 eles tiveram que destruir esses fótons para garantir o sucesso do teletransporte. Agora, uma equipe na Universidade de Viena, conseguiu teletransportar fótons sem destruí-los. Jian-Wei Pan e seus colegas acreditam que seu método pode ser responsável pelo próximo passo no teletransporte a longas distâncias” (J-W Pan et al. 2003 Nature 421 721).

A notícia acima, retirada da revista Nature, mostra como eram as condições do teletransporte em 2003. Hoje em dia a situação está um pouco diferente. Mais partículas estão sendo entrelaçadas e transportadas e a distância entre elas também aumenta. Hoje partículas podem ser transportadas até 16km de distância, um feito sem dúvida extraordinário. Em 2004 equipes independentes na Australia e nos Estados Unidos conseguiram o que se parecia impensável: o teletransporte de átomos. Até então, somente fótons haviam sido teletransportados.

No Instituto Niels Bohr, na Universidade de Copenhaguem, na Dinamarca, pesquisadores fizeram um importante experimento. Em 2006 o professor Eugene Polzik e sua equipe foram capazes de teletransportar um objeto macroscópico que continha trilhares de átomos por meio metro. Para realizar tal façanha Polzik e sua equipe utilizaram a luz como meio. O professor explica: "É um passo adiante porque pela primeira vez involve o teletransporte entre a luz e a matéria, que são dois objetos diferentes. Um carrega a informação e o outro a guarda".

Já em 2010 foi publicado na revista Nature um experimento de cientistas chineses que foram capazes de teletransportar fótons por 16 quilômetros. Utilizando a mesma técnica de entrelaçar fótons a equipe chinesa obteve êxito em melhorar o equipamento e aprimorar o parâmetros do experimento. 

Bibliografia:

  • http://physicsworld.com/cws/article/news/19690
  • http://physicsworld.com/cws/article/news/16883
  • http://ciencia.hsw.uol.com.br/teletransporte2.htm
  • http://www.cbpf.br/~qbitrmn/teses/tese_alexandre.pdf
  • http://noticias.terra.com.br/ciencia/interna/0,,OI1175741-EI238,00.html
  • http://info.abril.com.br/noticias/ciencia/teletransporte-quantico-alcanca-16-km-22052010-4.shl
  • http://www.cco.caltech.edu/%7Eqoptics/teleport.html
  • http://www.fisica.net/teletransporte/noticia_cienciahoje_vol35_n207.pdf
  • http://fep.if.usp.br/~villar/tese-asvillar.pdf
  • http://omnis.if.ufrj.br/~pos/pdf/AlejoSalles.pdf

Mais sobre: física, teletransporte, física quântica
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