O emaranhamento qua¢ntico ocorre quando duaspartículas parecem se comunicar sem uma conexão física, um fena´meno que Albert Einstein chamou de "ação assustadora a  distância". Quase 90 anos depois, uma equipe liderada pelo Laborata³rio Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA demonstrou a viabilidade de uma "testemunha de emaranhamento qua¢ntico" capaz de provar a presença de entrelaa§amento entrepartículas magnanãticas, ou spins, em um material qua¢ntico.

A equipe — incluindo pesquisadores da ORNL, Helmholtz-Zentrum Berlin, da Universidade Tanãcnica de Berlim, do Institut Laue-Langevin, da Universidade de Oxford e da Universidade Adam Mickiewicz — testou três testemunhas de emaranhamento usando uma combinação de experimentos de dispersão de naªutrons e simulações computacionais. Testemunhas de emaranhamento são técnicas que atuam como ferramentas de análise de dados para determinar quais giros cruzam o limiar entre os reinos cla¡ssico e qua¢ntico.

Introduzidas pela primeira vez por John Stewart Bell na década de 1960, testemunhas de emaranhamento confirmaram que a teoria qua¢ntica questionada por outros cientistas estava correta. A técnica de Bell dependia de detectar um par departículas de cada vez, mas essa abordagem não éútil para estudar materiais sãolidos compostos de trilhaµes e trilhaµes de partículas Ao direcionar e detectar grandes coleções de spins emaranhados usando novas testemunhas de emaranhamento, a equipe ampliou esse conceito para caracterizar materiais sãolidos e estudar comportamentos exa³ticos em supercondutores e a­ma£s qua¢nticos.

Para garantir que as testemunhas pudessem ser confia¡veis, a equipe aplicou os três a um material que eles sabiam estar envolvido por causa de um estudo anterior da dina¢mica do spin. Duas das testemunhas, que são baseadas na abordagem de Bell, indicaram adequadamente a presença de emaranhamento nesta cadeia de spin unidimensional — uma linha reta de giros adjacentes que se comunicam com seus vizinhos enquanto desconsideram outraspartículas — mas a terceira, que ébaseada na teoria da informação qua¢ntica, se saiu excepcionalmente bem na mesma tarefa.

"As informações qua¢nticas de Fisher, ou QFI, mostraram uma estreita sobreposição entre teoria e experimento, o que a torna uma maneira robusta e confia¡vel de quantificar o emaranhamento", disse Allen Scheie, pesquisador de pa³s-doutorado da ORNL e autor principal do artigo de prova de conceito da equipe publicado na Physical Review B.

Como flutuações em um material que parecem ser qua¢nticos na natureza podem ser causadas por movimento tanãrmico aleata³rio, que são desaparece a zero absoluto na escala de temperatura, a maioria dos manãtodos modernos não pode distinguir entre esses falsos alarmes e a atividade qua¢ntica real. A equipe não são confirmou a previsão tea³rica de que o emaranhamento aumenta a  medida que a temperatura diminui, mas também diferenciou com sucesso entre a atividade cla¡ssica e a qua¢ntica como parte da demonstração de QFI mais abrangente desde que a técnica foi proposta em 2016.

"Os materiais mais interessantes estãocheios de emaranhados qua¢nticos, mas esses são precisamente os mais difa­ceis de calcular", disse o cientista de dispersão de naªutrons da ORNL Alan Tennant, que lidera um projeto focado em a­ma£s qua¢nticos para o Quantum Science Center, ou QSC, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Qua¢ntica do DOE com sede na ORNL.

Anteriormente, o desafio de identificar rapidamente materiais qua¢nticos apresentou um obsta¡culo significativo a  missão do centro, que envolve explorar o emaranhamento para desenvolver novos dispositivos e sensores enquanto avana§a o campo da ciência da informação qua¢ntica. A simplificação desse processo com o QFI permite que os pesquisadores do QSC se concentrem em aproveitar o poder de substâncias como fases raras da matéria chamadas la­quidos de spin qua¢ntico e materiais que não resistem a  eletricidade chamadas supercondutores para aplicações de armazenamento de dados e computação.

"O poder do QFI vem de sua conexão com a metrologia qua¢ntica, na qual os cientistas emaranham maºltiplas quaseparta­culas para diminuir a incerteza e obter medidas extremamente precisas", disse Scheie. "A testemunha QFI inverte essa abordagem usando a precisão de uma medição existente para determinar o número ma­nimo departículas com as quais cada giro estãoemaranhado. Esta éuma maneira poderosa de revelar interações qua¢nticas, o que significa que o QFI érealmente aplica¡vel a qualquer material magnético qua¢ntico."

Tendo estabelecido que a QFI poderia categorizar corretamente os materiais, a equipe testou uma segunda cadeia de spin unidimensional, um material mais complexo com anisotropia, que éuma propriedade que faz com que os giros se deitem em um plano em vez de girar aleatoriamente. Os pesquisadores aplicaram um campo magnético a  cadeia de spin e observaram uma transição de entrelaa§amento, na qual a quantidade de emaranhamento caiu para zero antes de reaparecer. Eles publicaram este achado em Physical Review Letters.

Para alcana§ar esses resultados, os pesquisadores estudaram ambas as cadeias de spin usando dispersão de naªutrons e, em seguida, analisaram dados legados de experimentos realizados décadas atrás na Fonte de Naªutrons do ISIS na Inglaterra e no Institut Laue-Langevin na Frana§a, juntamente com novos dados do Espectra´metro de Helica³ptero de Ampla Gama Angular localizado na Fonte de Neutron spallation, uma instalação de usuários do DOE Office of Science operada pela ORNL. Tambanãm realizaram simulações complementares para validar os resultados contra dados teóricos idealizados.

Os naªutrons, que Tennant descreve como "lindamente simples", são uma ferramenta ideal para sondar as propriedades de um material devido a  sua carga neutra e natureza não destrutiva.

"Ao estudar a distribuição de naªutrons que se espalham de uma amostra, que transfere energia, pudemos usar naªutrons como medida para medir o emaranhamento qua¢ntico sem depender de teorias e sem a necessidade de computadores qua¢nticos macia§os que ainda não existem", disse Tennant.

De acordo com a equipe, essa combinação de recursos computacionais avana§ados e experimentais forneceu respostas sobre a natureza do emaranhamento qua¢ntico originalmente solicitado pelos fundadores da meca¢nica qua¢ntica. Scheie espera que os ca¡lculos de QFI provavelmente se tornem parte do procedimento padrãopara experimentos de dispersão de naªutrons que poderiam eventualmente caracterizar atémesmo os materiais qua¢nticos mais misteriosos.