Físicos da Universidade de Oxford ajudaram a demonstrar que o emaranhamento quântico, um dos fenómenos mais estranhos da física quântica, pode persistir mesmo entre algumas das partículas mais massivas e de vida mais curta alguma vez produzidas. A descoberta feita pelo poderoso Large Hadron Collider do CERN foi publicada artigo de revisão física.
O emaranhamento quântico ocorre quando duas partículas compartilham propriedades de tal forma que a medição de uma pode revelar informações sobre a outra, mesmo que as partículas estejam separadas. A conexão é uma das características mais repulsivas da mecânica quântica e tem desafiado a compreensão da realidade pelos físicos há décadas.
Albert Einstein chamou o emaranhamento de “ação assustadora à distância”, e os cientistas já observaram o efeito em sistemas envolvendo fótons, elétrons e íons presos. O emaranhamento tornou-se central para muitas tecnologias emergentes, incluindo computadores quânticos, redes de comunicação quântica ultrasseguras e sensores avançados. Na computação quântica, por exemplo, o emaranhamento permite que vários qubits sejam manipulados simultaneamente, em vez de um de cada vez, possibilitando a realização de vários cálculos simultaneamente.
Testando o emaranhamento quântico em energias extremas
O que permaneceu menos claro foi se o emaranhado poderia sobreviver a condições ainda mais extremas, incluindo as violentas colisões de partículas de alta energia geradas no CERN.
Para investigar essa questão, uma equipa internacional utilizou a experiência ATLAS no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, perto de Genebra, na Suíça. Em vez de estudar fótons ou outros sistemas quânticos de vida relativamente longa, os pesquisadores procuraram o emaranhamento entre pares de bósons Z, partículas massivas que existem apenas por uma pequena fração de segundo antes de decaírem.
O bóson Z testado no experimento vem do decaimento do bóson de Higgs, uma partícula descoberta no LHC em 2012. Um bóson de Higgs pode decair brevemente em dois bósons Z, que então decaem em pares de elétrons ou múons. O próprio bóson de Higgs é produzido quando prótons viajando a 99,99% da velocidade da luz colidem com energias que chegam a treze trilhões de elétron-volts.
Bósons Z fugazes deixam pistas quânticas
Embora os bósons Z desapareçam logo após serem criados, o detector ATLAS pode medir com precisão os elétrons e múons produzidos pelo seu decaimento.
Os investigadores analisaram os ângulos em que essas partículas emergiram e usaram essa informação para reconstruir o spin do bóson Z original. Isto permitiu à equipe determinar se os dois bósons Z exibiam a correlação esperada do emaranhamento quântico.
As medições forneceram fortes evidências de que sim. O resultado representa uma das confirmações de maior energia do emaranhamento quântico alcançadas até agora.
O coautor do estudo, Professor Alan Barr, do Departamento de Física de Oxford, foi um dos primeiros pesquisadores a sugerir que colisores de partículas poderiam ser usados para sondar o emaranhamento quântico em energias muito mais altas do que aquelas usadas em experimentos quânticos convencionais.
Barr, que esteve envolvido na construção do LHC, acreditava que o Large Collider poderia servir a propósitos além da descoberta de novas partículas. Suas ideias ajudaram a inspirar o experimento ATLAS de 2023, que demonstrou o emaranhamento entre pares de quarks superiores, as partículas elementares mais massivas conhecidas.
O professor Barr disse: “Estamos acostumados a pensar no emaranhamento como uma coisa delicada, que foi observada em experimentos de laboratório com fótons únicos. Encontrá-lo vivo e bem entre partículas pesadas e de vida curta como o bóson Z, que surge em algumas das colisões mais violentas que temos aqui na Terra, mostra o quão fundamental e forte esse efeito quântico realmente é. É um bom lembrete de que os mesmos princípios da mecânica quântica “As estranhas regras que um dia podem alimentar os computadores quânticos estão em ação em todos os lugares da natureza, mesmo em energias extremas. O Grande Colisor de Hádrons.”
Ideias de computação quântica encontram física de partículas
O trabalho também faz parte de um esforço mais amplo para trazer conceitos da ciência da informação quântica (o campo por trás da computação quântica) para a física de partículas de alta energia.
Ao aplicar ideias desenvolvidas para sistemas quânticos aos enormes conjuntos de dados produzidos por aceleradores de partículas, os pesquisadores esperam criar formas mais sensíveis de detectar padrões sutis. Essas técnicas poderiam eventualmente revelar efeitos que não se enquadram na compreensão atual do universo pelos físicos e potencialmente fornecer pistas sobre a física além das teorias existentes.
Na Universidade de Oxford, o professor Barr co-lidera um grande projeto interdisciplinar focado nos fundamentos da mecânica quântica em altas energias. O projeto examina o comportamento quântico em escalas extremamente pequenas e em energias muito altas, ao mesmo tempo que investiga as questões filosóficas levantadas por tais experiências, incluindo o que podem revelar sobre a natureza subjacente da realidade.
O co-PI Professor do projeto, Chris Timpson (Faculdade de Filosofia), disse: “O emaranhamento é o aspecto mais promissor e mais intrigante da realidade quântica; esses experimentos de colisão que detectam o emaranhamento apresentam uma nova fronteira na investigação dos fundamentos da mecânica quântica.”
CERN está se preparando para experimentos quânticos ainda mais profundos
Cientistas da Universidade de Oxford também estão contribuindo para a atualização contínua do detector ATLAS. Juntamente com o Grande Colisor de Hádrons Avançado de Alta Luminosidade, espera-se que essas melhorias disponibilizem conjuntos de dados muito maiores e proporcionem novas oportunidades para os físicos investigarem fenômenos quânticos em energias extremas.
Dados adicionais também podem permitir que os investigadores apliquem técnicas de informação quântica mais sofisticadas à física de partículas, aumentando potencialmente a sensibilidade de descobertas futuras a fenómenos anteriormente desconhecidos.
A professora Daniela Bortoletto (Departamento de Física da Universidade de Oxford), que é coordenadora do Reino Unido para a construção do módulo do Sistema de Pixels do detector ATLAS Avançado, disse:”Esta medição demonstra a força científica da colaboração ATLAS e as capacidades únicas do Grande Colisor de Hádrons do CERN. Os pesquisadores de Oxford desempenharam um papel de liderança no desenvolvimento dessas novas abordagens para estudar fenômenos quânticos nas energias mais altas, e estamos muito satisfeitos em contribuir para um esforço internacional. Orgulhosos de abrir novos caminhos de descoberta fundamental sobre as leis de natureza.
O estudo “Medição do emaranhamento do par de bósons Z no decaimento do bóson de Higgs no experimento ATLAS” foi publicado. artigo de revisão física.
