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Por que o emaranhamento quântico não supera a velocidade da luz?

Considerando que no fenômeno do emaranhamento ocorre uma troca instantânea de informação entre as partículas, como isso não viola a velocidade da luz? Pelo que li sobre o assunto, nenhuma “informação útil” é transferida durante o processo e o limite da velocidade da luz não seria violado, mas não entendo o que isso significa.

Respondido por: Prof. Emerson Luna - IF-UFRGS

Emaranhamento é um fenômeno da Mecânica Quântica que mostra que um estado físico composto por dois ou mais objetos deve ser descrito de maneira global, ou seja, o estado individual de cada objeto que compõe o sistema não é isoladamente definido. Em outras palavras, a natureza de um dos objetos do sistema é sempre descrita levando-se em conta a natureza dos demais, mesmo que eventualmente todos estes objetos estejam separados espacialmente. O emaranhamento gera portanto correlações não clássicas em sistemas quânticos compostos. Estas correlações fundamentais estão por trás da propriedade da Mecânica Quântica conhecida por “não-localidade”.

Por exemplo, podemos preparar um estado emaranhado de duas partículas que possua um momentum angular intrínseco (também conhecido por spin) total igual a zero. Neste caso, quando uma das partículas, após uma medição, apresentar um spin num sentido e direção específicos, saberemos que a outra partícula apresentará um spin no sentido contrário, sem que seja necessária uma medição do spin da segunda partícula para verificarmos este re­sultado. Neste caso de fato a medida realizada na primeira partícula parece influenciar instantaneamente a outra partícula que compõe o sistema emaranhado.

Porém, isto não significa que a informação clássica esteja se propagando com velocidade mais rápida que a luz. Uma situação imaginária simples pode nos ajudar a entender este aparente paradoxo: consideremos um sistema emaranhado de dois fótons, onde agora me­dimos um outro observável, chamado “polarização do fóton”. De forma análoga ao sistema emaranhado de duas partículas anteriormente discutido, onde conhecer o estado de spin de uma partícula nos fazia instantaneamente conhecer o estado de spin da outra, neste novo caso conhecer o estado de polarização de um dos fótons nos faz instantaneamente conhecer o estado de polarização do outro fóton do sistema emaranhado. Vamos supor que João, um físico vivendo aqui na Terra, queira transmitir para Maria, sua colega física que vive em Marte, informações sobre um estado quântico emaranhado de dois fótons. Ao medir o estado de polarização de um dos fótons, João observou uma polarização, digamos, “vertical”, levando à conclusão que o estado de polarização do fóton restante é, digamos, “horizontal”. Isto não  significa que Maria soube no mesmo instante da medição de João que o estado de polarização do fóton restante era horizontal. Ela terá esta informação apenas quando este fóton chegar em Marte e ela então fizer sua própria medição do estado de polarização do mesmo. Até então ela não saberá de forma alguma em qual estado de polarização o fóton restante se encontra. Esta informação apenas João possui. Uma vez que os fótons se propagam com a velocidade da luz, a informação sobre o estado de polarização do fóton restante se propagará na mesma velocidade. Logo Maria terá a informação que precisa após um instante mínimo Δt, onde Δt é o intervalo de tempo necessário para o fóton percorrer a distância Terra-Marte. Portanto nenhum princípio da Relatividade Restrita será violado.


9 comentários em “Por que o emaranhamento quântico não supera a velocidade da luz?

  1. Maciel Batista de Medeiros disse:

    Então supondo que houvesse duas partículas emaranhadas, uma na terra e outra em marte. Se ao invés de apenas medirmos o estado de uma delas nós o alterarmos, isso não causará nenhuma mudança correspondente na outra? Era assim que eu interpretava este fenômeno!

    • Lucas dos Santos disse:

      Boa pergunta. Eu acreditava ser possível ter uma partícula aqui e uma em Marte, e ser capaz de enviar a informação apenas com o emissor alterando a partícula daqui e o receptor lendo a de lá, sem que a partícula efetivamente se movesse do emissor ao receptor.

    • Emerson Luna disse:

      Caro Maciel, o conceito de medição na Mecânica Quântica é bastante diferente do que estamos acostumados no dia a dia. Na Mecânica Quântica a medição é um processo que afeta o sistema que está sendo medido. Logo não há muito sentido em “alterarmos” o estado de spin como você propõe. Acessamos um sistema quântico por meio de medições e uma propriedade que não é medida simplesmente não existe. Mas, tentando responder sua dúvida, posso dizer o seguinte: caso você faça outra medida no sistema, qualquer mensagem que revele o resultado da sua nova medição não será transmitida com velocidade superior à da luz.

      • Maciel Batista de Medeiros disse:

        Obrigado pelo esclarecimento professor! Eu imaginava que quem mediu, não precisaria informar a outra pessoa o estado da partícula, e sim que o segundo observador poderia constatar por si mesmo quando a medição foi feita pelo primeiro! Mas pelo que entendi se alguém mede de cá, conhecerá o estado de ambas as partículas, mas quem mede de lá observará estados diferentes causados pela própria medição.
        Mas se me permite um exercício de imaginação, o que ocorreria se num incrível golpe de sorte ambos os observadores realizassem uma medição simultânea das partículas? Como os estados delas seriam definidos?
        Desculpe se meus questionamentos parecerem ingênuos, mas eu prefiro perguntar a continuar entendendo a física errado.

  2. Júnior disse:

    Muito obrigado, ótima explicação 😀

  3. Matheus disse:

    Vamos supor que João mede o spin de um elétron na Terra e logo em seguida mude seu spin, vamos supor também que exista um elétron emaranhado com esse da Terra em Marte, de modo que se João mude o spin na Terra também mude o spin do elétron em Marte. Digamos que Maria mede o spin do elétron em um tempo depois que João mudou o spin do elétron dele na Terra, mas antes da informação de que ele mudou o spin na Terra chegasse até ela, ela verá seu elétron com o spin que ele tinha antes de João mudar o spin do elétron dele na Terra ou verá o elétron com o novo spin? (Pode supor que ela mediu o spin do elétron um tempo antes também porém sem alterar seu valor, pra ela poder comparar se mudou ou não antes mesmo de chegar a mensagem de João informando que ele mudou na Terra, a mensagem foi enviada pelo Facebook no privado).

  4. Alfredo Pereira Júnior disse:

    Não há transmissão da informação em velocidade superior à da luz, mas quando João observa a polarização vertical do fóton na terra, se Maria estiver observando o fóton emaranhado na lua e ele colapsar para polarização horizontal, ela saberá que João está observando o fóton na polarização vertical.

    • Emerson Luna disse:

      Caro Alfredo, temos um análogo clássico da situação apontada por você: imagine que João comprou um par de tênis, retirou um deles da caixa sem olhar, o colocou numa nova caixa e o enviou para Maria. Assim, parafraseando o que você escreveu, “Não há envio de uma caixa de tênis em velocidade superior à do correio, mas quando João observa que o seu tênis é de pé esquerdo, se Maria estiver recebendo sua caixa e ela verificar que é um tênis de pé direito, ela saberá que João está olhando para um tênis de pé esquerdo”.

      • Matheus disse:

        Apesar de João retirar sem ver, a informação de que o pé esquerdo foi retirado da caixa estava ali, e foi enviado para Maria com velocidade menor que a da luz, não existe paradoxo aqui (e você nem falou que tinha, só estou complementando). Mas imagine que de alguma forma João pudesse transformar seu tênis esquerdo em um direito, e isso de alguma forma implicasse que o de Maria se transformasse em um esquerdo, a questão é, o tênis que está com Maria mudaria instantaneamente para um esquerdo (com instantâneo entenda ao mesmo tempo que João muda o seu esquerdo para direito). Se levarmos em conta a relatividade, a instantaneidade perde o status de absoluta, de modo que se for instantânea para Maria não é para João, mas nada obriga a mecânica quântica a respeitar a relatividade, já que a equação de Schrödinger é invariante por transformação de Galileu e não de Lorentz. Vi em algum lugar uma vez que o tênis mudaria instantaneamente, de modo que se João apertasse um botão que muda o estado do tênis ao mesmo tempo que envia um sinal informando Maria, Maria perceberia que o tênis mudou de estado muito antes da mensagem informando que ele mudou o estado do tênis chegar, isso porque nada foi enviado pelo espaço pra mudar a posição do tênis, só mudava, mas não levo isso a sério pois provavelmente vi em algum documentário do History, preciso estudar mais para saber se isso é verdade. Grande abraço a todos

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