• Começa com um estrondo

Emaranhamento quântico ganha o Prêmio Nobel de Física de 2022

Dizem que ninguém entende de mecânica quântica. Mas graças a esses três pioneiros no emaranhamento quântico, talvez tenhamos.

Principais conclusões

• Por gerações, os cientistas discutiram se havia realmente uma realidade objetiva e previsível até mesmo para partículas quânticas, ou se a 'estranheza' quântica era inerente aos sistemas físicos.
• Na década de 1960, John Stewart Bell desenvolveu uma desigualdade descrevendo a correlação estatística máxima possível entre duas partículas emaranhadas: a desigualdade de Bell.
• Mas certos experimentos podem violar a desigualdade de Bell, e esses três pioneiros —  John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger — ajudaram a tornar os sistemas de informação quântica uma ciência genuína.

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Há uma pergunta simples, mas profunda, que os físicos, apesar de tudo o que aprendemos sobre o Universo, não podem responder fundamentalmente: “o que é real?” Sabemos que as partículas existem e sabemos que as partículas têm certas propriedades quando você as mede. Mas também sabemos que o próprio ato de medir um estado quântico – ou mesmo permitir que dois quanta interajam entre si – pode alterar ou determinar fundamentalmente o que você mede. Uma realidade objetiva, desprovida das ações de um observador, não parece existir de maneira fundamental.

Mas isso não significa que não existam regras que a natureza deva obedecer. Essas regras existem, mesmo que sejam difíceis e contraintuitivas de entender. Em vez de discutir sobre uma abordagem filosófica versus outra para descobrir a verdadeira natureza quântica da realidade, podemos recorrer a experimentos adequadamente projetados. Mesmo dois estados quânticos emaranhados devem obedecer a certas regras, e isso está levando ao desenvolvimento das ciências da informação quântica: um campo emergente com aplicações potencialmente revolucionárias. Prêmio Nobel de Física de 2022 acaba de ser anunciado e é concedido a John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger pelo desenvolvimento pioneiro de sistemas de informação quântica, fótons emaranhados e a violação das desigualdades de Bell. É um Prêmio Nobel que está muito atrasado, e a ciência por trás dele é particularmente alucinante.

Obra que ilustra os três vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2022, por experimentos com partículas emaranhadas que estabeleceram as violações de desigualdade de Bell e foram pioneiras na ciência da informação quântica. Da esquerda para a direita, os três ganhadores do Nobel são Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger.

Existem todos os tipos de experimentos que podemos realizar que ilustram a natureza indeterminada de nossa realidade quântica.

• Coloque um número de átomos radioativos em um recipiente e espere um determinado período de tempo. Você pode prever, em média, quantos átomos permanecerão versus quantos terão decaído, mas você não tem como prever quais átomos sobreviverão e quais não sobreviverão. Só podemos derivar probabilidades estatísticas.
• Dispare uma série de partículas através de uma fenda dupla estreitamente espaçada e você poderá prever que tipo de padrão de interferência surgirá na tela atrás dela. No entanto, para cada partícula individual, mesmo quando enviada através das fendas uma de cada vez, você não pode prever onde ela irá pousar.
• Passe uma série de partículas (que possuem spin quântico) através de um campo magnético e metade irá defletir “para cima” enquanto a metade defletir “para baixo” ao longo da direção do campo. Se você não os passar por outro ímã perpendicular, eles manterão sua orientação de rotação nessa direção; se você fizer isso, no entanto, sua orientação de rotação mais uma vez se tornará aleatória.

Certos aspectos da física quântica parecem ser totalmente aleatórios. Mas eles são realmente aleatórios ou apenas parecem aleatórios porque nossas informações sobre esses sistemas são limitadas, insuficientes para revelar uma realidade subjacente e determinista? Desde o início da mecânica quântica, os físicos discutem sobre isso, de Einstein a Bohr e além.

Quando uma partícula com spin quântico passa por um ímã direcional, ela se divide em pelo menos 2 direções, dependendo da orientação do spin. Se outro ímã for configurado na mesma direção, nenhuma outra divisão ocorrerá. No entanto, se um terceiro ímã for inserido entre os dois em uma direção perpendicular, não apenas as partículas se dividirão na nova direção, mas a informação que você obteve sobre a direção original será destruída, deixando as partículas se dividirem novamente quando passarem. o ímã final.

Mas na física, não decidimos assuntos com base em argumentos, mas sim em experimentos. Se pudermos escrever as leis que governam a realidade – e temos uma boa ideia de como fazer isso para sistemas quânticos – podemos derivar o comportamento esperado e probabilístico do sistema. Dada uma configuração e aparato de medição suficientemente bons, podemos testar nossas previsões experimentalmente e tirar conclusões com base no que observamos.

E se formos espertos, poderíamos até projetar um experimento que pudesse testar algumas ideias extremamente profundas sobre a realidade, como se há um indeterminismo fundamental na natureza dos sistemas quânticos até o momento em que são medidos, ou se há algum tipo de “variável oculta” subjacente à nossa realidade que pré-determina qual será o resultado, mesmo antes de medi-lo.

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Um tipo especial de sistema quântico que levou a muitos insights importantes sobre essa questão é relativamente simples: um sistema quântico emaranhado. Tudo o que você precisa fazer é criar um par de partículas emaranhadas, onde o estado quântico de uma partícula está correlacionado com o estado quântico de outra. Embora, individualmente, ambos tenham estados quânticos completamente aleatórios e indeterminados, deve haver correlações entre as propriedades de ambos os quanta quando tomados em conjunto.

Os pares emaranhados da mecânica quântica podem ser comparados a uma máquina que lança bolas de cores opostas em direções opostas. Quando Bob pega uma bola e vê que é preta, ele imediatamente sabe que Alice pegou uma branca. Em uma teoria que usa variáveis ​​ocultas, as bolas sempre continham informações ocultas sobre qual cor mostrar. No entanto, a mecânica quântica diz que as bolas eram cinzas até que alguém as olhasse, quando uma aleatoriamente ficou branca e a outra preta. As desigualdades de Bell mostram que existem experimentos que podem diferenciar esses casos. Tais experimentos provaram que a descrição da mecânica quântica está correta.

Mesmo no início, isso parece estranho, mesmo para a mecânica quântica. Costuma-se dizer que há um limite de velocidade para a rapidez com que qualquer sinal – incluindo qualquer tipo de informação – pode viajar: na velocidade da luz. Mas se você:

• criar um par de partículas emaranhadas,
• e depois separá-los por uma distância muito grande,
• e então medir o estado quântico de um deles,
• o estado quântico do outro é determinado de repente,
• não na velocidade da luz, mas instantaneamente.

Isso já foi demonstrado em distâncias de centenas de quilômetros (ou milhas) em intervalos de tempo de menos de 100 nanossegundos. Se a informação está sendo transmitida entre essas duas partículas emaranhadas, está sendo trocada em velocidades pelo menos milhares de vezes mais rápidas que a luz.

Não é tão simples, no entanto, como você pode pensar. Se uma das partículas for medida para ser “spin up”, por exemplo, isso não significa que a outra será “spin down” 100% do tempo. Em vez disso, significa que a probabilidade de o outro ser “spin up” ou “spin down” pode ser prevista com algum grau de precisão estatística: mais de 50%, mas menos de 100%, dependendo da configuração do seu experimento. As especificidades desta propriedade foram obtidas na década de 1960 por John Stewart Bell, cujo Desigualdade de Bell garante que as correlações entre os estados medidos de duas partículas emaranhadas nunca possam exceder um determinado valor.

Ao fazer com que uma fonte emita um par de fótons emaranhados, cada um dos quais acaba nas mãos de dois observadores separados, medições independentes dos fótons podem ser realizadas. Os resultados devem ser aleatórios, mas os resultados agregados devem exibir correlações. Se essas correlações são limitadas pelo realismo local ou não, depende se elas obedecem ou violam a desigualdade de Bell.

Ou melhor, que as correlações medidas entre esses estados emaranhados nunca excederiam um certo valor se houver variáveis ​​ocultas presente, mas que a mecânica quântica padrão – sem variáveis ​​ocultas – necessariamente violaria a desigualdade de Bell, resultando em correlações mais fortes do que o esperado, sob as circunstâncias experimentais corretas. Bell previu isso, mas do jeito que ele previu, infelizmente, não pode ser testado.

E é aí que entram os tremendos avanços dos ganhadores do Prêmio Nobel de Física deste ano.

Primeiro foi o trabalho de John Clauser. O tipo de trabalho que Clauser fez é do tipo que os físicos teóricos muitas vezes subestimam: ele pegou o trabalho profundo, tecnicamente correto, mas impraticável de Bell e os desenvolveu para que um experimento prático que os testasse pudesse ser construído. Ele é o 'C' por trás do que agora é conhecido como o Desigualdade CHSH : onde cada membro de um par de partículas emaranhadas está nas mãos de um observador que tem a opção de medir o spin de suas partículas em uma das duas direções perpendiculares. Se a realidade existe independente do observador, então cada medida individual deve obedecer à desigualdade; se não, para o mecânica quântica padrão, a desigualdade pode ser violada.

A razão R(ϕ)/R_0 medida experimentalmente em função do ângulo ϕ entre os eixos dos polarizadores. A linha sólida não é um ajuste aos pontos de dados, mas sim a correlação de polarização prevista pela mecânica quântica; acontece que os dados concordam com as previsões teóricas com uma precisão alarmante e que não pode ser explicada por correlações locais e reais entre os dois fótons.

Clauser não apenas derivou a desigualdade de tal forma que pudesse ser testada, mas ele mesmo projetou e executou o experimento crítico, junto com o então estudante de doutorado Stuart Freedman, determinando que, de fato, violava as regras de Bell (e do CHSH). ) desigualdade. As teorias de variáveis ​​ocultas locais, de repente, foram mostradas em conflito com a realidade quântica do nosso Universo: uma conquista digna de um Nobel!

Mas, como em todas as coisas, as conclusões que podemos tirar dos resultados deste experimento são tão boas quanto as suposições que fundamentam o próprio experimento. O trabalho de Clauser estava livre de brechas ou poderia haver algum tipo especial de variável oculta que ainda pudesse ser consistente com seus resultados medidos?

É aí que entra o trabalho de Alain Aspect, o segundo ganhador do Nobel deste ano. na velocidade da luz sobre seus resultados experimentais, e esse resultado poderia ser recebido antes que o outro observador medisse seu resultado - então a escolha de medição de um observador poderia influenciar a do outro. Essa era a brecha que a Aspect pretendia fechar.

Esquema do experimento do terceiro Aspecto testando a não localidade quântica. Os fótons emaranhados da fonte são enviados para dois interruptores rápidos que os direcionam para os detectores de polarização. Os interruptores alteram as configurações muito rapidamente, alterando efetivamente as configurações do detector para o experimento enquanto os fótons estão em voo.

No início dos anos 1980, juntamente com os colaboradores Phillipe Grangier, Gérard Roger e Jean Dalibard, a Aspect realizou uma série de experimentos profundos que melhorou muito o trabalho de Clauser em várias frentes.

• Ele estabeleceu uma violação da desigualdade de Bell com um significado muito maior: por mais de 30 desvios padrão, em oposição aos ~6 de Clauser.
• Ele estabeleceu uma violação de maior magnitude da desigualdade de Bell - 83% do máximo teórico, em oposição a não mais de 55% do máximo em experimentos anteriores - do que nunca.
• E, ao randomizar rápida e continuamente qual orientação do polarizador seria experimentada por cada fóton usado em sua configuração, ele garantiu que qualquer “comunicação furtiva” entre os dois observadores teria que ocorrer em velocidades significativamente superiores à velocidade da luz , fechando a brecha crítica.

Esse último feito foi o mais significativo, com o experimento crítico agora amplamente conhecido como o terceiro experimento Aspecto . Se a Aspect não tivesse feito mais nada, a capacidade de demonstrar a inconsistência da mecânica quântica com variáveis ​​ocultas locais e reais foi um avanço profundo e digno de um Nobel por si só.

Ao criar dois fótons emaranhados de um sistema pré-existente e separá-los por grandes distâncias, podemos observar quais correlações eles exibem entre eles, mesmo de locais extraordinariamente diferentes. Interpretações da física quântica que exigem localidade e realismo não podem explicar uma miríade de observações, mas múltiplas interpretações consistentes com a mecânica quântica padrão parecem ser igualmente boas.

Mas ainda assim, alguns físicos queriam mais. Afinal, as configurações de polarização estavam sendo realmente determinadas aleatoriamente, ou as configurações poderiam ser apenas pseudo-aleatórias: onde algum sinal invisível, talvez viajando na velocidade da luz ou mais lenta, seria transmitido entre os dois observadores, explicando as correlações entre eles?

A única maneira de realmente fechar essa última brecha seria criar duas partículas emaranhadas, separá-las por uma distância muito grande, mantendo seu emaranhado e, em seguida, realizar as medições críticas o mais próximo possível simultaneamente, garantindo que as duas medições fossem literalmente fora dos cones de luz de cada observador individual.

Somente se as medições de cada observador puderem ser estabelecidas para serem verdadeiramente independentes umas das outras - sem esperança de comunicação entre eles, mesmo que você não possa ver ou medir o sinal hipotético que eles trocariam entre eles - você pode realmente afirmar que fechou a brecha final em variáveis ​​ocultas locais e reais. O próprio coração da mecânica quântica está em jogo, e é aí que o trabalho do terceiro da safra deste ano de ganhadores do Nobel, Anton Zeilinger , entra em jogo.

Um exemplo de um cone de luz, a superfície tridimensional de todos os raios de luz possíveis que chegam e partem de um ponto no espaço-tempo. Quanto mais você se move no espaço, menos você se move no tempo e vice-versa. Somente as coisas contidas em seu cone de luz passado podem afetá-lo hoje; somente as coisas contidas em seu futuro cone de luz podem ser percebidas por você no futuro. Dois eventos fora do cone de luz um do outro não podem trocar comunicações sob as leis da relatividade especial.

A maneira como Zeilinger e sua equipe de colaboradores conseguiram isso foi nada menos que brilhante, e por brilhante quero dizer simultaneamente imaginativo, inteligente, cuidadoso e preciso.

1. Primeiro, eles criaram um par de fótons emaranhados bombeando um cristal de conversão descendente com luz laser.
2. Em seguida, eles enviaram cada membro do par de fótons através de uma fibra óptica separada, preservando o estado quântico emaranhado.
3. Em seguida, eles separaram os dois fótons por uma grande distância: inicialmente por cerca de 400 metros, de modo que o tempo de viagem da luz entre eles seria maior que um microssegundo.
4. E, finalmente, eles realizaram a medição crítica, com a diferença de tempo entre cada medição na ordem de dezenas de nanossegundos.

Eles realizaram esse experimento mais de 10.000 vezes, criando estatísticas tão robustas que estabeleceram um novo recorde de significância, enquanto fechavam a brecha do “sinal invisível”. Hoje, experimentos subsequentes estenderam a distância que os fótons emaranhados foram separados antes de serem medidos para centenas de quilômetros, incluindo um experimento com pares emaranhados encontrados tanto na superfície da Terra quanto em órbita ao redor do nosso planeta .

Muitas redes quânticas baseadas em emaranhamento em todo o mundo, incluindo redes que se estendem ao espaço, estão sendo desenvolvidas para alavancar os fenômenos assustadores do teletransporte quântico, repetidores e redes quânticas e outros aspectos práticos do emaranhamento quântico.

Zeilinger também, talvez ainda mais famoso, concebeu a configuração crítica que permitiu um dos fenômenos quânticos mais estranhos já descobertos: teletransporte quântico . Há um famoso quantum teorema de não clonagem , ditando que você não pode produzir uma cópia de um estado quântico arbitrário sem destruir o próprio estado quântico original. o que grupo de Zeilinger , juntamente com Grupo independente de Francesco De Martini , foram capazes de demonstrar experimentalmente que era um esquema de troca de emaranhamento: onde o estado quântico de uma partícula, mesmo quando emaranhada com outra, poderia ser efetivamente “movido” para uma partícula diferente , mesmo um que nunca interagiu diretamente com a partícula com a qual agora está emaranhado.

A clonagem quântica ainda é impossível, pois as propriedades quânticas da partícula original não são preservadas, mas uma versão quântica de “cortar e colar” foi definitivamente demonstrada: um avanço profundo e digno de um Nobel, com certeza.

John Clauser, à esquerda, Alain Aspect, ao centro, e Anton Zeilinger, à direita, são os ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2022 pelos avanços no campo e aplicações práticas do emaranhamento quântico. Este Prêmio Nobel é esperado há mais de 20 anos, e a seleção deste ano é muito difícil de contestar com base nos méritos da pesquisa.

O Prêmio Nobel deste ano não é simplesmente uma curiosidade física, profunda por descobrir algumas verdades mais profundas sobre a natureza de nossa realidade quântica. Sim, de fato faz isso, mas também há um lado prático: um que segue o espírito do compromisso do Prêmio Nobel de que ele seja concedido por pesquisas conduzidas para o melhoramento da humanidade . Devido às pesquisas de Clauser, Aspect e Zeilinger, entre outros, agora entendemos que o emaranhamento permite que pares de partículas emaranhadas sejam aproveitados como um recurso quântico: permitindo que ele seja usado para aplicações práticas finalmente.

O emaranhamento quântico pode ser estabelecido em distâncias muito grandes, permitindo a possibilidade de comunicação de informações quânticas em grandes distâncias. Repetidores quânticos e redes quânticas agora são capazes de realizar precisamente essa tarefa. Além disso, o emaranhamento controlado agora é possível não apenas entre duas partículas, mas muitas, como em vários sistemas de matéria condensada e multipartículas: novamente concordando com as previsões da mecânica quântica e discordando das teorias de variáveis ​​ocultas. E, finalmente, a criptografia quântica segura, especificamente, é habilitada por um teste de violação de desigualdade de Bell: novamente demonstrado pelo próprio Zeilinger .

Três vivas para os ganhadores do Prêmio Nobel de Física de 2022, John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger! Por causa deles, o emaranhamento quântico não é mais apenas uma curiosidade teórica, mas uma ferramenta poderosa sendo usada na tecnologia de ponta da atualidade.

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