Os computadores quânticos podem derivar seu poder da maneira “mágica” que as propriedades das partículas mudam dependendo do contexto.
Talvez a característica mais estranha da mecânica quântica seja a não-localidade: meça uma partícula em um par emaranhado cujo parceiro está a quilômetros de distância, e a medida parece rasgar o espaço intermediário para afetar instantaneamente seu parceiro. Essa “ação assustadora à distância” (como Albert Einstein a chamou) tem sido o foco principal dos testes da teoria quântica.
“A não localidade é espetacular. Quero dizer, é como mágica”, disse Adán Cabello, físico da Universidade de Sevilha, na Espanha.
Mas Cabello e outros estão interessados em investigar um aspecto menos conhecido, mas igualmente mágico da mecânica quântica: a contextualidade. A contextualidade diz que as propriedades das partículas, como sua posição ou polarização, existem apenas no contexto de uma medição. Em vez de pensar nas propriedades das partículas como tendo valores fixos, considere-as mais como palavras na linguagem, cujos significados podem mudar dependendo do contexto: “O tempo voa como uma flecha. A fruta voa como banana.”
Embora a contextualidade tenha vivido na sombra da não-localidade por mais de 50 anos, os físicos quânticos agora a consideram mais uma característica marcante dos sistemas quânticos do que a não-localidade. Uma única partícula, por exemplo, é um sistema quântico “no qual você não pode nem pensar em não-localidade”, já que a partícula está apenas em um local, disse Bárbara Amaral, física da Universidade de São Paulo, no Brasil. “Então [a contextualidade] é mais geral em algum sentido, e acho que isso é importante para realmente entender o poder dos sistemas quânticos e aprofundar o motivo pelo qual a teoria quântica é do jeito que é.”
Os pesquisadores também descobriram ligações tentadoras entre contextualidade e problemas que os computadores quânticos podem resolver com eficiência e que os computadores comuns não podem; investigar esses links pode ajudar a orientar os pesquisadores no desenvolvimento de novas abordagens e algoritmos de computação quântica.
E com interesse teórico renovado vem um esforço experimental renovado para provar que nosso mundo é realmente contextual. Em fevereiro, Cabello, em colaboração com Kihwan Kim da Universidade Tsinghua em Pequim, China, publicou um artigo no qual afirmava ter realizado o primeiro teste experimental de contextualidade sem lacunas.
A 117ª Direção
O físico da Irlanda do Norte John Stewart Bell é amplamente creditado por mostrar que os sistemas quânticos podem ser não-locais. Ao comparar os resultados das medições de duas partículas emaranhadas, ele mostrou com seu teorema homônimo de 1965 que o alto grau de correlações entre as partículas não pode ser explicado em termos de “variáveis ocultas” locais definindo as propriedades separadas de cada uma. A informação contida no par emaranhado deve ser compartilhada não localmente entre as partículas.
Bell também provou um teorema semelhante sobre contextualidade. Ele e, separadamente, Simon Kochen e Ernst Specker mostraram que é impossível para um sistema quântico ter variáveis ocultas que definem os valores de todas as suas propriedades em todos os contextos possíveis.
Na versão da prova de Kochen e Specker, eles consideraram uma única partícula com uma propriedade quântica chamada spin, que tem magnitude e direção. Medir a magnitude do spin ao longo de qualquer direção sempre resulta em um dos dois resultados: 1 ou 0. Os pesquisadores então perguntaram: é possível que a partícula secretamente “saiba” qual será o resultado de cada medição possível antes de ser medida? Em outras palavras, eles poderiam atribuir um valor fixo – uma variável oculta – a todos os resultados de todas as medidas possíveis de uma só vez?
A teoria quântica diz que as magnitudes dos spins ao longo de três direções perpendiculares devem obedecer à “regra 101”: os resultados de duas das medidas devem ser 1 e a outra deve ser 0. Kochen e Specker usaram essa regra para chegar a uma contradição. Primeiro, eles assumiram que cada partícula tinha um valor intrínseco fixo para cada direção de rotação. Eles então conduziram uma medição hipotética de spin ao longo de uma direção única, atribuindo 0 ou 1 ao resultado. Eles então giraram repetidamente a direção de sua medição hipotética e mediram novamente, cada vez atribuindo livremente um valor ao resultado ou deduzindo qual deveria ser o valor para satisfazer a regra 101 junto com as direções que haviam considerado anteriormente.
Eles continuaram até que, na direção 117, surgiu a contradição. Embora eles tivessem anteriormente atribuído um valor de 0 ao spin nessa direção, a regra 101 agora ditava que o spin deveria ser 1. O resultado de uma medição não poderia retornar 0 e 1. Assim, os físicos concluíram que há de jeito nenhum uma partícula pode ter variáveis ocultas fixas que permanecem as mesmas, independentemente do contexto.
Embora a prova tenha indicado que a teoria quântica exige contextualidade, não havia como realmente demonstrar isso por meio de 117 medições simultâneas de uma única partícula. Desde então, os físicos criaram versões mais práticas e implementáveis experimentalmente do teorema original de Bell-Kochen-Specker envolvendo várias partículas emaranhadas, onde uma medição específica em uma partícula define um “contexto” para as outras.
Pergunta por pergunta
Em 2009, a contextualidade, um aspecto aparentemente esotérico do tecido subjacente da realidade, obteve uma aplicação direta: uma das versões simplificadas do teorema original de Bell-Kochen-Specker mostrou ser equivalente a uma computação quântica básica.
A prova, batizada de estrela de Mermin em homenagem ao seu criador, David Mermin, considerou várias combinações de medições contextuais que poderiam ser feitas em três bits quânticos emaranhados, ou qubits. A lógica de como as medições anteriores moldam os resultados das medições posteriores tornou-se a base para uma abordagem chamada computação quântica baseada em medições. A descoberta sugeriu que a contextualidade pode ser a chave para o motivo pelo qual os computadores quânticos podem resolver certos problemas mais rapidamente do que os computadores clássicos – uma vantagem que os pesquisadores lutaram muito para entender.
Robert Raussendorf, físico da Universidade da Colúmbia Britânica e pioneiro da computação quântica baseada em medições, mostrou que a contextualidade é necessária para que um computador quântico vença um computador clássico em algumas tarefas, mas ele não acha que seja toda a história. Se a contextualidade alimenta os computadores quânticos “provavelmente não é exatamente a pergunta certa a ser feita”, disse ele. “Mas precisamos chegar lá pergunta por pergunta. Então fazemos uma pergunta que entendemos como fazer; obtemos uma resposta. Nós fazemos a próxima pergunta.”
Um teste sem lacunas
Alguns pesquisadores sugeriram brechas em torno da conclusão de Bell, Kochen e Specker de que o mundo é contextual. Eles argumentam que as variáveis ocultas independentes do contexto não foram conclusivamente descartadas.
Em fevereiro, Cabello e Kim anunciaram que haviam fechado todas as brechas plausíveis realizando um experimento de Bell-Kochen-Specker “livre de brechas”.
O experimento envolveu medir os spins de dois íons presos em várias direções, onde a escolha da medição em um íon definiu o contexto para o outro íon. Os físicos mostraram que, embora fazer uma medição em um íon não afete fisicamente o outro, isso muda o contexto e, portanto, o resultado da medição do segundo íon.
Os céticos perguntariam: como você pode ter certeza de que o contexto criado pela primeira medição é o que mudou o resultado da segunda medição, em vez de outras condições que podem variar de experimento para experimento? Cabello e Kim fecharam essa “brecha de nitidez” realizando milhares de conjuntos de medições e mostrando que os resultados não mudam se o contexto não mudar. Depois de descartar essa e outras lacunas, eles concluíram que a única explicação razoável para seus resultados é a contextualidade.
Cabello e outros acham que esses experimentos podem ser usados no futuro para testar o nível de contextualidade – e, portanto, o poder – dos dispositivos de computação quântica.
“Se você quer realmente entender como o mundo está funcionando”, disse Cabello, “você realmente precisa entrar nos detalhes da contextualidade quântica”.
Publicado em 02/07/2022 07h39
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