Da incerteza ao teletransporte *
por Carlos Orsi

A notícia de que uma equipe de cientistas havia realizado, na Austrália, o teletransporte de um feixe de luz foi saudada - com razão - como o provável passo inicial de uma revolução tecnológica, que poderá dar origem a sistemas de computação mais rápidos, completos e a meios de comunicação dotados de um nível de segurança praticamente infinito: a criptografia perfeita.

Tudo isso graças ao uso criativo de uma das limitações mais frustrantes impostas pela natureza ao conhecimento humano: o Princípio da Incerteza de Heisenberg. O caminho que vai de Heisenberg ao teletransporte é meio longo, no entanto, e peço paciência ao leitor para explorá-lo.
 

Ainda comigo? Então, vamos lá:

O Princípio da Incerteza, enunciado por Werner Heisenberg (1901-1976), afirma que é impossível determinar, com precisão exata e ao mesmo tempo, a velocidade e a posição de uma partícula subatômica, como um elétron ou um fóton. De maneira mais genérica, pode-se dizer que é impossível determinar todas as características de uma partícula simultaneamente: ao se definir uma certa característica "X", a característica complementarO Princípio da Incerteza, enunciado por Werner Heisenberg (1901-1976), afirma que é impossível determinar, com precisão exata e ao mesmo tempo, a velocidade e a posição de uma partícula subatômica, como um elétron ou um fóton. De maneira mais genérica, pode-se dizer que é impossível determinar todas as características de uma partícula simultaneamente: ao se definir uma certa característica "X", a característica complementar, "Y", torna-se indeterminada. Se depois de medir "X" alguém tentar medir "Y", esse novo esforço alterará o valor inicial de "X", e assim por diante, ad infinutum.

A interpretação mais aceita para este e outros fenômenos similares, que compõem a mecânica quântica, postula o seguinte: até que se faça uma medição, tanto "X" como "Y" - assim como "Z", "W" ou quaisquer outras características da partícula em estudo - são, de fato, quantidades indefinidas. A partícula existe numa sobreposição de estados: ela está em todos os lugares ao mesmo tempo, movendo-se em todas as velocidades possíveis, girando em todos os eixos. E a única forma de descrevê-la é como uma "nuvem" de probabilidades, mais densa onde as chances são maiores, mais rarefeita nos demais pontos.

No entanto, assim que a medição de uma característica é feita, a partícula "colapsa", ou "desmorona", num estado perfeitamente definido para aquela propriedade específica. É como se, ao olhar para o elétron, o cientista o obrigasse a entrar num escaninho bem definido da Realidade, com "R" maiúsculo.

É óbvio que essa interpretação desagradou a muita gente, e gente importante - do calibre de Albert Einstein.
 

Os Três Amigos

Em 1935, Einstein, juntamente com Boris Podolsky e Nathan Rosen, publicou um artigo desafiando essa interpretação. O texto sugere um "experimento intelectual" envolvendo um par de partículas "emaranhadas" - isto é, com características quânticas complementares.

Suponha, por exemplo, que as partículas, se colocadas juntas, tenham, por alguma característica intrínseca do experimento, de produzir a cor verde. Isso significa que uma delas será azul e a outra, amarela (atenção: esse papo de "verde", "amarelo" e "azul" é mera metáfora!). No entanto, do jeito que as coisas estão no início da experiência, cada partícula tem 50% de chance de ser azul e 50% de chance de ser amarela. Até que uma observação seja realizada, forçando-as a "desmoronar", ambas as cores encontram-se indefinidas; são parte da névoa difusa da probabilidade.

Então, um cientista realiza a medição de uma das partículas (vamos chamá-la de "A") e obtém o resultado "amarelo". Isso significa que, se um outro cientista medir a partícula complementar, "B", ele irá encontrar o resultado "azul".
 

Tá. E daí?

A questão levantada por Einstein e seus colegas pode ser traduzida mais ou menos assim: ou bem "A" sempre foi amarela e "B" sempre foi azul, o que demonstra que toda a conversa sobre nuvens de probabilidade não passa de balela, ou então - e eis aqui o Paradoxo EPR (de Einstein-Podolski-Rosen) -, ao ter sua cor avaliada, "A" enviou um sinal para "B", informando a partícula-irmã sobre a cor que deveria adotar!

Esta é a "ação fantasmagórica à distância" definida por Einstein e que - ele esperava - provaria a incompletude da mecânica quântica: afinal, existe telepatia subatômica?
Pior: o "emaranhamento" das partículas não depende da distância entre elas no instante da experiência. Tanto faz se elas estão no mesmo laboratório ou em cantos opostos da galáxia. Mas, para funcionar independentemente da distância, esse "sinal telepático" teria de viajar acima da velocidade da luz, uma impossibilidade!
 

Cilada

Assim, esse paradoxo sobre o "emaranhamento" de partículas colocou a mecânica quântica numa sinuca: a interpretação dominante da teoria, que usa a incerteza como pedra fundamental e descreve os efeitos quânticos em termos de probabilidades, tinha de estar errada. A alternativa seria engolir uma violação da Relatividade, abrindo as portas da Física para a possibilidade de comunicações mais rápidas que a luz.

No final, como geralmente acontece nesse tipo de dilema, a solução correta acabou sendo uma posição intermediária entre as duas proposições iniciais. Por um lado, experiências realizadas nas décadas seguintes acabaram demonstrando que o "Paradoxo EPR" é, de fato, o Efeito EPR - isto é, que o fenômeno descrito por Einstein como absurdo, a comunicação instantânea entre partículas, realmente ocorre.

Como isso acontece? A resposta provavelmente vale um prêmio Nobel. Por enquanto, só se sabe que o efeito é real, e está na base na tecnologia do teletransporte de luz e de dados.

O "teletransporte" não é, porém, a transmissão de informações acima da velocidade da luz. É improvável que o emaranhamento quântico venha a permitir a comunicação, em tempo real, entre a Terra e Marte, por exemplo. Porque há uma pequena cilada embutida no Efeito EPR...
 

Alice e Beto, espiões espaciais

Imagine que Alice, uma espiã marciana na Terra, queira enviar uma mensagem para seu chefe, Beto, que ficou em Marte. Alice tem consigo um fóton que foi "emaranhado" a outro, que ficou com Beto. Suponha que esse emaranhamento é do mesmo tipo sugerido entre as partículas "A" e "B" - cada um dos fótons tem 50% de chance de ser azul e 50% de chance de ser amarelo. Graças à tecnologia marciana, Alice dispõe de um aparelho capaz de obrigar seu fóton a assumir a cor azul - o que "condenará", no mesmo instante, o fóton de Beto a ser amarelo. Chamemos esse aparelho de "colorizador".

Agora: se Alice e Beto combinaram um código simples, tipo "fóton amarelo significa emergência", assim que Alice ativar seu colorizador, o sinal de perigo, em vez de levar mais de três minutos para viajar entre os dois planetas, chegará a Beto no mesmo segundo. Certo?
A bem da verdade, não. Porque, lembre-se, as partículas do mundo quântico existem numa sobreposição de estados. Até que o colorizador seja usado, tanto o fóton de Alice quanto o de Beto têm 50% de chance de serem amarelos, a qualquer instante. Assim, a menos que Beto saiba exatamente quando olhar para seu fóton, ele corre o risco de receber um sinal de emergência falso!

Na maior parte do tempo, a cor do fóton simplesmente não tem significado. Alice terá que dispor de uma forma de avisar Beto que agora é a hora, de que o fóton tem significado neste instante. Um sinal de rádio, talvez? Mas os sinais de rádio viajam à velocidade da luz. Logo...
 

E afinal, o Teletransporte

Experiências e análises teóricas, bem mais sólidas que as desventuras de Alice e Beto, já demonstraram que a "comunicação fantasmagórica à distância" das partículas quânticas é incapaz de transmitir qualquer tipo de informação útil. Isso coloca o espectro da violação da Teoria da Relatividade numa situação também, digamos, relativa: para todos os efeitos práticos, a velocidade da luz ainda é um limite absoluto.

E é exatamente essa garantia de que a informação embutida no emaranhamento quântico jamais fará sentido que torna o teletransporte possível.

Durante muito tempo, o efeito de teleportar algo - transmitir o estado quântico exato de um conjunto de partículas de um ponto a outro, destruindo as partículas originais - foi considerado impossível, por implicar uma violação do Princípio da Incerteza de Heisenberg: é impossível conhecer, simultaneamente, todas as informações contidas numa partícula.

O que o Efeito EPR permite é, simplesmente, transmitir uma parte da informação a respeito da partícula sem que precisemos conhecer essa parte. E é assim que o teletransporte funciona: para fazer a partícula "M" sumir daqui e aparecer ali, parte das informações que a compõem - a parte que podemos conhecer sem violar o princípio de Heisenberg - é lida por meio de instrumentos clássicos de laboratório e transmitida por um fio. Nesse processo, a partícula tem seu estado quântico original destruído.

Já outra parte dos dados - a que nunca saberemos o que diz ou o que contém, e que não poderemos conhecer sem destruir a mensagem por completo - é mandada, via um "Canal EPR", por meio do emaranhamento quântico entre as duas extremidades do teletransportador.
 

Dados e criptografia

Se o Efeito EPR não permite a transmissão de dados acima da velocidade da luz, o Canal EPR usado no teletransporte, provavelmente, representa a mais poderosa ferramenta de criptografia jamais criada, ao garantir que parte da informação viaje de maneira instantânea e ininteligível.

Para todos os efeitos, é como se esse pedaço da mensagem deixasse de existir, só voltando ao Universo no momento em que a outra parte da informação, a transmitida pelo canal clássico - um fio, uma onda de rádio - fosse aplicada ao terminal de recepção. A parte clássica da informação pode ser interceptada por meios também clássicos, mas não fará o menor sentido sem a parte intangível, perdida no Canal EPR e disponível apenas no terminal de recepção.

Difícil, afinal, imaginar uma ferramenta de criptografia melhor que o Princípio da Incerteza de Heisenberg...

LINKS RELACIONADOS:
http://www.estadao.com.br/ciencia/noticias/2002/jun/17/308.htm
http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/2049048.stm
http://www.research.ibm.com/quantuminfo/teleportation/
http://www.svsu.edu/~slaven/uncertainty/uncertainty8.html
http://home.earthlink.net/~johnfblanton/physics/epr.htm

Carlos Orsi
cmartin@agestado.com.br