A luz de antigos quasares ajuda a confirmar o entrelaçamento quântico.
Os resultados estão entre as evidências mais fortes para a chamada “ação fantasmagórica à distância”.
No ano passado, físicos do MIT, da Universidade de Viena e de outros lugares forneceram forte apoio ao emaranhamento quântico, a ideia aparentemente distante de que duas partículas, não importa quão distantes umas das outras no espaço e no tempo, possam estar inseparavelmente ligadas de uma maneira que desafia as regras da física clássica.
Tomemos, por exemplo, duas partículas colocadas em bordas opostas do universo. Se eles estão realmente emaranhados, então, de acordo com a teoria da mecânica quântica, suas propriedades físicas devem ser relacionadas de tal maneira que qualquer medida feita em uma partícula deva transmitir instantaneamente informações sobre qualquer resultado de medição futuro das outras partículas – correlações que Einstein viu ceticamente como “ação assustadora à distância”.
Na década de 1960, o físico John Bell calculou um limite teórico além do qual tais correlações devem ter uma explicação quântica, e não clássica.
Mas e se tais correlações fossem o resultado não de entrelaçamento quântico, mas de alguma outra explicação oculta clássica? Tais “e se” são conhecidos pelos físicos como brechas para testes da desigualdade de Bell, o mais teimoso dos quais é a brecha da “liberdade de escolha”: A possibilidade de que alguma variável oculta e clássica possa influenciar à medida que um experimentador escolhe executar uma medição em uma partícula emaranhada, fazendo com que o resultado pareça correlacionado de forma quântica, quando na verdade não é.
Em Fevereiro passado, a equipe do MIT e seus colegas restringiram significativamente a brecha da liberdade de escolha, usando a luz estelar de 600 anos para decidir quais propriedades de dois fótons emaranhados seriam medidos. A experiência deles provou que, se um mecanismo clássico causasse as correlações que eles observavam, ele teria que ser colocado em movimento há mais de 600 anos, antes que a luz das estrelas fosse emitida pela primeira vez e muito antes que a experiência real fosse concebida.
Agora, em um artigo publicado na Physical Review Letters, a mesma equipe ampliou amplamente o argumento para o entrelaçamento quântico e restringiu ainda mais as opções para a brecha da liberdade de escolha. Os pesquisadores usaram quasares distantes, um dos quais emitiu sua luz há 7,8 bilhões de anos e os outros 12,2 bilhões de anos atrás, para determinar as medidas a serem feitas em pares de fótons emaranhados. Eles encontraram correlações entre mais de 30.000 pares de fótons, em um grau que excedia em muito o limite que Bell calculou originalmente para um mecanismo de base clássica.
“Se alguma conspiração está acontecendo para simular a mecânica quântica por um mecanismo que é realmente clássico, esse mecanismo teria que começar suas operações – de alguma forma saber exatamente quando, onde e como esta experiência seria feita – pelo menos 7,8 bilhões de anos atrás. Isso parece incrivelmente implausível, então temos fortes evidências de que a mecânica quântica é a explicação correta ”, diz o co-autor Alan Guth, o professor de Física do MIT, Victor F. Weisskopf.
“A Terra tem cerca de 4,5 bilhões de anos, então qualquer mecanismo alternativo – diferente da mecânica quântica – que poderia ter produzido nossos resultados explorando essa brecha teria que estar no lugar muito antes mesmo que houvesse um planeta Terra, quanto mais um MIT ”, acrescenta David Kaiser, professor de História da Ciência de Germeshausen e professor de física do MIT. “Então, nós já levamos explicações alternativas para o início da história cósmica.”
Os coautores de Guth e Kaiser incluem Anton Zeilinger e membros de seu grupo na Academia Austríaca de Ciências e na Universidade de Viena, bem como físicos do Harvey Mudd College e da Universidade da Califórnia em San Diego.
Uma decisão, feita bilhões de anos atrás
Em 2014, Kaiser e dois membros da equipe atual, Jason Gallicchio e Andrew Friedman, propuseram um experimento para produzir fótons emaranhados na Terra – um processo que é bastante padronizado em estudos da mecânica quântica. Eles planejaram atirar cada membro do par entrelaçado em direções opostas, em direção a detectores de luz que também fariam uma medição de cada fóton usando um polarizador. Os pesquisadores mediram a polarização, ou orientação, do campo elétrico de cada fóton, definindo o polarizador em vários ângulos e observando como os fótons passavam – um resultado para cada fóton, de forma que os pesquisadores poderiam comparar e determinar se as partículas mostravam as correlações previstas pela mecânica quântica.
A equipe acrescentou um passo único ao experimento proposto, que era usar a luz de fontes astronômicas antigas e distantes, como estrelas e quasares, para determinar o ângulo no qual definir cada polarizador respectivo. À medida que cada fóton entrelaçado estava em voo, indo em direção ao detector à velocidade da luz, os pesquisadores usavam um telescópio localizado em cada local do detector para medir o comprimento de onda da luz recebida do quasar. Se essa luz fosse mais avermelhada do que algum comprimento de onda de referência, o polarizador inclinaria em um certo ângulo para fazer uma medida específica do fóton entrelaçado de entrada – uma escolha de medição determinada pelo quasar. Se a luz do quasar fosse mais azul que o comprimento de onda de referência, o polarizador inclinaria em um ângulo diferente, realizando uma medição diferente do fóton emaranhado.
Em seu experimento anterior, a equipe usou pequenos telescópios para medir a luz de estrelas a 600 anos-luz de distância. Em seu novo estudo, os pesquisadores usaram telescópios muito maiores e mais poderosos para captar a luz recebida de fontes astrofísicas ainda mais antigas e distantes: quasares cuja luz viaja para a Terra há pelo menos 7,8 bilhões de anos – objetos incrivelmente distantes e mesmo assim tão luminosos que sua luz pode ser observada da Terra.
Timing complicado
Em 11 de janeiro de 2018, “o relógio tinha acabado de passar da meia-noite no horário local”, como lembra Kaiser, quando cerca de uma dúzia de membros da equipe se reuniram no topo de uma montanha nas Ilhas Canárias e começaram a coletar dados em dois Telescópios entre os maiores de todo o mundo: o Telescópio William Herschel e o Telescopio Nazionale Galileo, ambos situados na mesma montanha e separados por cerca de um quilômetro.
Um telescópio focalizava um quasar em particular, enquanto o outro telescópio olhava para outro quasar em uma parte diferente do céu noturno. Enquanto isso, pesquisadores de uma estação localizada entre os dois telescópios criaram pares de fótons entrelaçados e partículas irradiadas de cada par em direções opostas em direção a cada telescópio.
Na fração de segundo antes de cada fóton entrelaçado atingir seu detector, a instrumentação determinou se um único fóton que chegava do quasar era mais vermelho ou azul, uma medida que automaticamente ajustava o ângulo de um polarizador que finalmente recebia e detectava a entrada entrelaçada. fóton.
“O momento é muito complicado”, diz Kaiser. “Tudo tem que acontecer dentro de janelas muito apertadas, atualizando a cada microssegundo ou mais.”
Desmistificando uma miragem
Os pesquisadores realizaram o experimento duas vezes, cada um por cerca de 15 minutos e com dois pares diferentes de quasares. Para cada corrida, eles mediram 17.663 e 12.420 pares de fótons emaranhados, respectivamente. Poucas horas depois de fechar as cúpulas do telescópio e examinar os dados preliminares, a equipe percebeu que havia fortes correlações entre os pares de fótons, além do limite calculado por Bell, indicando que os fótons estavam correlacionados de maneira quântica.
Guth levou uma análise mais detalhada para calcular a chance, ainda que leve, de que um mecanismo clássico pudesse ter produzido as correlações observadas pela equipe.
Ele calculou que, para a melhor das duas corridas, a probabilidade de um mecanismo baseado na física clássica ter alcançado a correlação observada era de cerca de 10 a menos 20 – ou seja, cerca de uma parte em cem bilhões de bilhões, “escandalosamente pequena. ”, diz Guth. Para fins de comparação, os pesquisadores estimaram a probabilidade de a descoberta do bóson de Higgs ser apenas uma casualidade de cerca de um em um bilhão.
“Nós certamente tornamos inacreditavelmente implausível que uma teoria local realista pudesse estar subjacente à física do universo”, diz Guth.
E, no entanto, ainda há uma pequena abertura para a brecha da liberdade de escolha. Para limitar ainda mais, a equipe está pensando em uma forma de olhar ainda mais para trás no tempo para usar fontes como fótons de fundo cósmico de microondas que foram emitidos como radiação residual logo após o Big Bang, embora tais experimentos apresentassem uma série de novas desafios técnicos.
“É divertido pensar em novos tipos de experimentos que podemos projetar no futuro, mas, por enquanto, estamos muito satisfeitos por podermos abordar essa lacuna em particular de forma tão dramática. Nosso experimento com quasares coloca restrições extremamente limitadas em várias teorias alternativas à mecânica quântica. Por mais estranha que possa parecer a mecânica quântica, ela continua a se equiparar a todos os testes experimentais que podemos conceber ”, diz Kaiser.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela Academia Austríaca de Ciências, o Austrian Science Fund, a National Science Foundation dos EUA e o Departamento de Energia dos EUA.
Fonte original: http://news.mit.edu/2018/light-ancient-quasars-helps-confirm-quantum-entanglement-0820