o fóton pode ser o mais familiar de partículas elementares. Viajando à velocidade da luz, as partículas bombardeiam-nos diariamente do sol, da lua e das estrelas. Durante mais de um século, cientistas e engenheiros têm-nos aproveitado de forma agregada para iluminar as nossas cidades e, agora, os nossos ecrãs.os pesquisadores de hoje podem controlar fótons com mais delicadeza do que nunca. No Instituto Nacional de padrões e Tecnologia (NIST) em Maryland, a física Paulina Kuo cria e manipula fótons individualmente., Ao iluminar cristais personalizados com luz laser em seu laboratório, Kuo produz fótons gêmeos, que ela pode ainda se separar em fótons únicos. Direcionando-os para certos materiais, que absorvem a partícula para produzir fótons de diferentes cores, Ela pode efetivamente mudar a cor de um fóton, preservando a informação codificada nele.

por exemplo, ela projetou um cristal para dobrar a frequência de um fóton de entrada, permitindo a conversão entre a luz vermelha e infravermelha. “Você pode fundir dois fótons, ou dividir um fóton em dois”, diz ela., “Ou processos de ordem ainda mais elevada. Você pode fundir três fótons em um, ou dividir um fóton em três.”Complementando essas técnicas, ela usa Detectores de fóton único de última geração, feitos de fios supercondutores que se tornam não supercondutores quando absorvem um único fóton. Estes tipos de detectores fornecem contagens altamente precisas, detectando fótons com até 99 por cento de eficiência.esta tecnologia de fótons únicos formará a espinha dorsal de uma futura internet quântica, uma proposta de rede global de dispositivos para a transmissão de dados codificados em fótons únicos e outras partículas quânticas., Estes dados seriam representados nas propriedades quânticas de uma partícula, como a polarização de um fóton. Ao contrário dos dados clássicos, que só podem ser representados como 0 ou 1, a chamada informação quântica assume valores que são combinações ponderadas de 0 e 1, o que permite novos algoritmos computacionais potencialmente mais poderosos e novos protocolos de criptografia.desafios de Engenharia abundam para a internet quântica, como problemas com a perda de sinal, diz Kuo. Mas os investigadores—e os seus governos-estabeleceram planos ambiciosos., Em 2016, A União Europeia iniciou uma iniciativa de tecnologias quânticas de mil milhões de euros. Em agosto, os EUA estabeleceram cinco centros de pesquisa quântica para acelerar o desenvolvimento de tecnologia quântica com até US $625 milhões prometidos ao longo dos próximos cinco anos. O físico Pan Jian-Wei, que liderou o lançamento em 2016 de um satélite de tecnologia quântica Chinesa de US $100 milhões e seus projetos subsequentes, descreveu um objetivo de construir uma internet quântica global até 2030.,muitos especialistas apelidaram a era atual da tecnologia de fóton único como a” segunda Revolução quântica”, uma mudança de paradigma onde os cientistas não só entendem os princípios contra—intuitivos da mecânica quântica-entrelaçamento, superposição e dualidade de onda—partícula-mas podem explorá-los em tecnologias. O fóton não é mais um objeto de estudo, mas uma ferramenta.então o que é um fóton? Kuo dá uma resposta circular. “Um fóton é o clique registrado por um detector de resolução de fótons”, diz ela.

palavras mais vagas do que as de Kuo foram usadas para descrever o fóton., É uma onda e uma partícula de luz, ou é uma quantização do campo eletromagnético. Ou, “Cala – te e calcula”, uma frase familiar para qualquer um que tenha confundido a mecânica quântica.

“Você pode se meter em problemas se você der ao fóton demasiada realidade”, diz O físico Alan Migdall da NIST.

“As pessoas têm discutido sobre isso por mais de 100 anos”, diz O físico Aephraim Steinberg da Universidade de Toronto. “Acho que não chegámos a um consenso.”os físicos começaram a discutir sobre o fóton assim que o descobriram., Os próprios cientistas que conceberam as partículas estavam céticos de que elas existiam fundamentalmente na natureza. Para explicar dados experimentais de outra forma confundindo a relação da temperatura de um objeto com sua radiação emitida, em 1900 o físico alemão Max Planck propôs que a radiação vem em quantidades discretas, ou quanta. O conceito do fóton nasceu. Mas Planck não compreendeu a profundidade da sua ideia. Mais tarde, ele descreveu sua descoberta como “um ato de desespero”—um truque sem fundamento para fazer a matemática funcionar.,Albert Einstein, too, resisted implications of the photon theory that he helped to develop. Ele foi particularmente incomodado pelo entrelaçamento, a ideia de que duas partículas podem ter entrelaçado destinos, mesmo quando eles estão separados muito longe um do outro. A teoria implícita, por exemplo, que, se você medisse a polarização de um fóton em um emaranhado de par, seria instantaneamente de conhecer também a polarização do outro, mesmo se as duas partículas foram separadas para extremos opostos do sistema solar., O entrelaçamento sugere que os objetos podem influenciar uns aos outros arbitrariamente de muito longe, conhecido como não-localidade, que Einstein ridicularizou como “ação assustadora à distância”.”Preferindo uma realidade onde os objetos devem estar próximos para exercer influência uns sobre os outros, ele acreditava que a teoria da mecânica quântica estava incompleta. “Certamente deu indigestão a Einstein”, diz Migdall.

Por décadas, argumentos sobre o fóton foram em grande parte relegados para o reino dos experimentos de pensamento, uma vez que era tecnologicamente impossível testar essas ideias., Recentemente, o debate tem escorregado para a comunidade física de forma mais ampla, como fontes de fóton único e detectores tornar-se melhor e mais amplamente acessível, de acordo com Steinberg. “Podemos fazer essas experiências em vez de imaginá-las, como o gato de Schrödinger”, diz ele.por exemplo, os físicos confirmaram a existência de entrelaçamento. Décadas de experimentos, conhecidos como testes da desigualdade de Bell, agora indicam fortemente que Einstein estava errado—e que nosso universo não é local.,estes testes baseiam-se num quadro experimental concebido pelo físico britânico John Stewart Bell em 1964. No trabalho teórico, Bell mostrou que, se você repetir as medições supostamente preso partículas, as estatísticas revelam se os fótons realmente influenciam-se mutuamente nonlocally, ou se um desconhecido mecanismo conhecido genericamente como um local “variável oculta”—cria a ilusão de ação à distância. Na prática, os testes envolveram em grande parte a divisão de pares de fótons entrelaçados ao longo de dois caminhos diferentes para medir suas polarizações em dois detectores diferentes.,físicos têm realizado testes Bell desde a década de 1970, com todos os experimentos publicados indicando que os fótons podem agir assustadoramente à distância, como o físico David Kaiser do Massachusetts Institute of Technology explica. No entanto, apesar dos resultados unânimes, estes primeiros experimentos foram inconclusivos: falhas tecnológicas significavam que seus experimentos sofriam de três limitações de design potenciais,ou lacunas.

A primeira brecha, conhecida como a brecha da localidade, surge a partir dos dois detectores de polarização estarem muito próximos um do outro., Teoricamente, era possível que um detector pudesse ter transmitido um sinal para o outro detector mesmo antes dos fótons entrelaçados serem emitidos, influenciando o resultado da medição localmente.a segunda brecha, chamada brecha de amostragem justa, resultou de detectores de fotões de má qualidade. Especialistas argumentaram que os detectores poderiam ter pegado um subconjunto tendencioso dos fótons, distorcendo as estatísticas. O desejo de fechar esta lacuna, diz Migdall, tem impulsionado o desenvolvimento de melhores detectores de fótons únicos, o mesmo agora usado rotineiramente em tecnologias quânticas.,

A terceira brecha, a brecha da liberdade de escolha, está relacionada com as configurações do detector de polarização. Para obter estatísticas verdadeiramente imparciais sobre um grande número de medidas de polarização, a orientação do detector de polarização deve ser redefinida aleatoriamente para cada medição. É difícil garantir aleatoriedade, com os pesquisadores meticulosamente reiniciando os detectores à mão em experimentos iniciais.os experimentos recentes fecharam todas as três brechas, embora não simultaneamente em um teste, de acordo com Kaiser., Em 2015, uma equipe liderada pelo físico Ronald Hanson na Universidade de tecnologia de Delft realizou um teste Bell que fechou a amostragem justa e lacunas locais pela primeira vez, embora usando elétrons emaranhados em vez de fótons.

a Publicação, em 2018, uma equipe de cientistas do Instituto de Fotônica Ciências na Espanha acusado de 100.000 voluntários para jogar um jogo de vídeo para gerar números aleatórios, que os cientistas utilizaram para definir o seu Sino teste de detectores de restringir a liberdade de escolha brecha.,Kaiser trabalhou em outro experimento publicado em 2018, apelidado de “Cosmic Bell Test”, que fechou a brecha da localidade e restringiu firmemente a brecha da liberdade de escolha, definindo a orientação do detector de polarização usando um gerador de números aleatórios baseado na frequência de luz emitida por duas estrelas a 600 e 1.900 anos-luz de distância, respectivamente.

os resultados suportam fortemente a não localização do entrelaçamento. “A indigestão que Einstein tinha com a mecânica quântica—se ele estivesse por perto hoje, você diria a ele que ele teria que lidar com isso”, diz Migdall.,a física Alexandra Landsman da Universidade do Estado de Ohio descreve o fóton como” um quantum de energia”, que se alinha de perto com as concepções originais dos físicos sobre a partícula. In a 1905 paper, Einstein described light as discrete packets of energy proportional to its frequency to explain the so-called photoelectric effect. Os cientistas observaram que os materiais absorvem a luz para ejetar elétrons, mas apenas quando a frequência da luz é menor do que algum valor limiar., A explicação de Einstein, pela qual foi agraciado com o Prêmio Nobel em 1921, ajudou a impulsionar o desenvolvimento da teoria quântica.a nova tecnologia laser permitiu aos pesquisadores revisitar o efeito fotoelétrico em mais detalhes. Os lasers de atosegundo, inventados em 2001, fornecem pulsos de luz com menos de um quadrilionésimo de segundo comprimento que permitem aos físicos observar a ação em escala quântica como uma câmera com velocidade de obturador de registro., Em particular, os físicos estão usando lasers ultra-rápidos para cronometrar o efeito fotoelétrico: uma vez que um fóton colide com um átomo ou molécula, quanto tempo leva o elétron para ser ejetado? “As pessoas no passado assumiram que este processo acontece instantaneamente”, diz Landsman. “Não havia maneira de abordar esta questão experimentalmente.”

Em 2010, uma equipe liderada pelo físico Ferenc Krausz, então na Universidade de tecnologia de Viena, realizou um experimento mostrando que a ejeção eletrônica de um átomo leva tempo., Embora eles não medissem o tempo absoluto, eles poderiam discernir que levou cerca de 20 atosegundos mais tempo para um elétron sair do orbital 2p versus o orbital 2s de um átomo de néon. Experimentos subsequentes de outros grupos cronometraram a emissão de elétrons em moléculas como água e óxido nitroso.Landsman, um teórico, está trabalhando para entender por que os elétrons deixam certas moléculas mais rápido do que outras. Algumas moléculas, por exemplo, confinam o elétron a um espaço tal que o elétron forma uma onda parada., Esta condição, conhecida como ressonância da forma, prende temporariamente o elétron, retardando sua fuga. Em última análise, Landsman quer elucidar todos os fatores que atrasam átomos e moléculas de liberar o elétron para zero em quanto tempo o fóton e elétron se encontram. “Essas experiências nos dão mais informações sobre como um fóton interage com um elétron”, diz ela.Zlatko Minev, no entanto, não acha que um fóton é um quantum de energia. Minev, um físico da IBM, pesquisa como construir um computador quântico., Neste novo contexto tecnológico, diz ele, os fótons parecem manifestar-se de forma diferente.

Minev executa experimentos em circuitos feitos de fios supercondutores que podem ser usados como qubits, que são blocos de construção de computadores quânticos. Estes circuitos são projetados para absorver um único fóton de uma energia especificada, onde a absorção de um fóton pode representar o 1 Estado em um computador quântico. Uma vez que o qubit absorve um fóton, sua resposta muda, de modo que ele não vai mais absorver fótons dessa energia.,

a ideia convencional de um fóton como um “quantum of energy” não se encaixa nesses circuitos, diz Minev, que se refere aos sistemas como osciladores quânticos não lineares. “Você poderia perguntar, o que significa ter dois fótons no meu oscilador? São duas unidades de energia?”diz ele. “Neste caso, não é, porque cada fóton extra no oscilador realmente tem uma quantidade diferente de energia. A energia não define o fóton neste caso.”

então como ele descreve o fóton? “Não sei se lhe posso dar uma resposta de uma frase”, diz Minev. “Estou a reavaliar a minha própria compreensão., Atualmente, ele acha que o fóton é um “quântico de ação”, onde “ação” se refere a uma quantidade abstrata descrevendo o comportamento permitido de seu sistema.à medida que os físicos reavaliam o básico, estes novos experimentos iluminam a conexão entre ciência fundamental e aplicações. A tecnologia de internet quântica de Kuo compartilha ancestralidade com o hardware usado nos testes Bell de entrelaçamento. Os estudos de Minev sobre seu oscilador não linear o ajudam a desenvolver métodos para corrigir erros em computadores quânticos., A pesquisa de Landsman sobre o efeito fotoelétrico em moléculas pode revelar pistas sobre suas propriedades eletrônicas, que poderiam eventualmente fornecer aos cientistas uma nova avenida para projetar materiais com especificações desejadas. Migdall diz que os pesquisadores usam testes Bell para verificar aleatoriedade em novos modelos de geradores de números aleatórios que exploram partículas enredadas.ainda assim, a verdadeira natureza do fóton escapa aos físicos. “Todos os cinquenta anos de preocupação consciente não me aproximaram da resposta à pergunta: O que são “Light quanta”? Einstein escreveu em uma carta de 1951., “É claro que hoje todos os malandros pensam que sabem a resposta, mas estão a iludir-se a si próprios.”

ele pode ter estado errado sobre o entrelaçamento, mas mais sete décadas de discussão coletiva mais tarde, o sentimento ainda se mantém.Sophia Chen contribui para WIRED, Science, and Physics Girl. Ela é uma escritora freelancer baseada em Columbus, Ohio.

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