As previsões da mecânica quântica às vezes são difíceis de relacionar com as idéias sobre o mundo clássico. Embora a posição e o momento de uma partícula clássica possam ser medidos simultaneamente, no caso quântico, você só pode saber a probabilidade de encontrar uma partícula em um estado ou outro. Além disso, a teoria quântica afirma que, quando dois sistemas estão emaranhados, medir o estado de um deles afeta instantaneamente o outro. Em 2015, três grupos de físicos fizeram progressos significativos na compreensão da natureza do emaranhamento quântico e teletransporte. Physics Today e Lenta.ru falam sobre as conquistas dos cientistas.
Albert Einstein discordou da interpretação probabilística da mecânica quântica. Foi neste contexto que ele disse que "Deus não joga dados" (ao que o físico dinamarquês Niels Bohr mais tarde respondeu que não cabia a Einstein decidir o que fazer com Deus). O cientista alemão não aceitou a incerteza inerente ao micromundo e considerou o determinismo clássico correto. O criador da teoria geral da relatividade acreditava que, ao descrever o micromundo, a mecânica quântica não leva em consideração algumas variáveis ocultas, sem as quais a própria teoria quântica está incompleta. O cientista sugeriu procurar parâmetros ocultos ao medir um estado quântico com um dispositivo clássico: esse processo envolve uma mudança do primeiro para o segundo, e Einstein considerou possível experimentar onde não há essa mudança.
Desde então, os cientistas vêm tentando determinar se existem variáveis ocultas na mecânica quântica ou se foi invenção de Einstein. O problema das variáveis ocultas foi formalizado em 1964 pelo físico teórico britânico John Bell. Ele propôs a ideia de um experimento no qual a presença de qualquer parâmetro oculto no sistema pode ser descoberto conduzindo uma análise estatística de uma série de experimentos especiais. O experimento foi assim. Um átomo foi colocado em um campo externo, emitindo simultaneamente um par de fótons, que se espalharam em direções opostas. A tarefa dos experimentadores é realizar medições múltiplas da direção dos spins dos fótons.
Isso permitiria coletar as estatísticas necessárias e, a partir das desigualdades de Bell, que são uma descrição matemática da presença de parâmetros ocultos na mecânica quântica, verificar o ponto de vista de Einstein. A principal dificuldade residia na implementação prática do experimento, que posteriormente os físicos conseguiram reproduzir. Os pesquisadores mostraram que provavelmente não existem parâmetros ocultos na mecânica quântica. Nesse ínterim, havia duas lacunas na teoria (localização e detecção) que poderiam provar que Einstein estava certo. Em geral, existem mais lacunas. Os experimentos de 2015 os fecharam e confirmaram que provavelmente não há realismo local no microcosmo.
"Ação assustadora" entre Bob e Alice
Imagem: JPL-Caltech / NASA
Estamos falando das experiências de três grupos de físicos: da Delft Technical University na Holanda, do National Institute of Standards and Technology nos EUA e da University of Vienna na Áustria. Os experimentos dos cientistas não apenas confirmaram a integridade da mecânica quântica e a ausência de parâmetros ocultos nela, mas também abriram novas possibilidades de criptografia quântica - um método de criptografar informações (protegê-las) usando emaranhamento quântico, usando protocolos quânticos - e levou à criação de algoritmos inquebráveis para gerar Números aleatórios.
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O emaranhamento quântico é um fenômeno no qual os estados quânticos das partículas (por exemplo, o spin de um elétron ou a polarização de um fóton), separados por uma distância um do outro, não podem ser descritos independentemente. O procedimento para medir o estado de uma partícula leva a uma mudança no estado de outra. Em um experimento típico de emaranhamento quântico, agentes interagindo espaçados - Alice e Bob - cada um possui uma partícula (fótons ou elétrons) de um par de emaranhados. A medição de uma partícula por um dos agentes, por exemplo, Alice, se correlaciona com o estado do outro, embora Alice e Bob não saibam com antecedência sobre as manipulações um do outro.
Isso significa que as partículas de alguma forma armazenam informações umas sobre as outras e não as trocam, digamos, à velocidade da luz usando alguma interação fundamental conhecida pela ciência. Albert Einstein chamou isso de "ação assustadora à distância". Partículas emaranhadas violam o princípio da localidade, segundo o qual o estado de um objeto só pode ser influenciado por seu ambiente imediato. Esta contradição está associada ao paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (assumindo a incompletude da mecânica quântica acima mencionada e a presença de parâmetros ocultos) e constitui uma das principais dificuldades conceituais (que, no entanto, não é mais considerada um paradoxo) da mecânica quântica (pelo menos em sua interpretação de Copenhagen)
Esquema da experiência dos cientistas holandeses
Foto: arXiv.org
Os defensores do realismo local argumentam que apenas as variáveis locais podem afetar as partículas, e a correlação entre as partículas de Alice e Bob é realizada usando algum método oculto que os cientistas ainda não conhecem. A tarefa dos cientistas era refutar essa possibilidade experimentalmente, em particular para evitar a propagação de um sinal oculto de um agente para outro (supondo que ele se mova na velocidade da luz no vácuo - o máximo possível na natureza), e assim mostrar que ocorreu uma mudança no estado quântico da segunda partícula antes que o sinal latente da primeira partícula pudesse alcançar a segunda.
Na prática, isso significa colocar Bob e Alice a uma distância considerável um do outro (pelo menos dezenas de metros). Isso evita a propagação de qualquer sinal sobre uma mudança no estado de uma das partículas antes de medir o estado da outra (armadilha de localização). Enquanto isso, a imperfeição de detectar o estado quântico de partículas individuais (especialmente fótons) deixa espaço para uma brecha de amostragem (ou detecção). Pela primeira vez, os físicos da Delft University of Technology conseguiram evitar duas dificuldades ao mesmo tempo.
No experimento, usamos um par de detectores de diamante com um separador de sinal entre eles. Os cientistas pegaram um par de fótons não emaranhados e os espalharam em diferentes espaços. Então, cada um dos elétrons foi emaranhado com um par de fótons, que foram movidos para o terceiro espaço. No decorrer dos experimentos, foi possível observar que uma mudança no estado (spin) de um dos elétrons afetou o outro. Em apenas 220 horas (mais de 18 dias), os físicos testaram a desigualdade de Bell 245 vezes. As quantidades observadas de elétrons foram medidas usando feixes de laser.
O experimento foi capaz de medir os estados quânticos de partículas separadas por uma distância de cerca de 1,3 quilômetros e mostrar a validade da desigualdade de Bell (ou seja, a validade da teoria quântica e a falácia do conceito de realismo local). Os resultados deste estudo foram publicados na revista Nature. Prevê-se que seus autores tenham um Prêmio Nobel de Física.
Posição dos detectores na experiência holandesa
Foto: arXiv.org
Equipes dos Estados Unidos e da Áustria fizeram experiências com fótons. Assim, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia conseguiram quebrar o recorde de distância de teletransporte quântico (transmissão do estado quântico de um sistema à distância) por um cabo de fibra ótica, realizando-o a 102 quilômetros. Para fazer isso, os cientistas usaram quatro detectores de fóton único criados no mesmo instituto com base em nanofios supercondutores (resfriados a menos 272 graus Celsius) feitos de molibdênio silicioso. Apenas um por cento dos fótons percorreu uma distância de 102 quilômetros. O recorde anterior para a distância de teletransporte quântico sobre fibra era de 25 quilômetros (para comparação: o recorde para a distância de teletransporte quântico sobre o ar era de 144 quilômetros).
Cientistas austríacos usaram sensores mais eficientes que os americanos, mas a resolução temporal nos experimentos de físicos dos EUA é muito maior. Ao contrário dos físicos holandeses, cuja configuração registrava cerca de um evento por hora, os cientistas dos Estados Unidos e da Áustria foram capazes de conduzir mais de mil testes por segundo, o que praticamente elimina qualquer correlação casual nos resultados experimentais.
Os cientistas estão atualmente tentando melhorar a eficiência dos experimentos - eles carregam partículas a distâncias cada vez maiores e aumentam a frequência de medição. Infelizmente, o alongamento do canal óptico leva a uma perda na fração de partículas detectadas e novamente atualiza o perigo de uma brecha de detecção. Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia estão tentando combater isso usando um gerador de números aleatórios quânticos em experimentos. Nesse caso, não há necessidade de transportar fótons por longas distâncias, e a tecnologia criada será útil na criptografia quântica.
Andrey Borisov
