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Físicos testam teoria quântica real em uma rede quântica óptica
No futuro, o recente estudo realizado por essa equipe de pesquisadores poderá abrir caminho para novas pesquisas avaliando os fundamentos da física quântica, principalmente em redes quânticas.
Por Ingrid Fadelli - 25/02/2022


Zheng-Da Li e Ya-Li Mao preparando o experimento. Crédito: Li et al.

A teoria quântica foi originalmente formulada usando números complexos. No entanto, ao responder a uma carta de Hendrik Lorenz, Erwin Schrödinger (um de seus fundadores), escreveu: "Usar números complexos na teoria quântica é desagradável e deve ser contestado. A função de onda é certamente fundamentalmente uma função real."

Nos últimos anos, os cientistas descartaram com sucesso qualquer explicação de variável oculta local da teoria quântica usando testes de Bell. Posteriormente, tais testes foram generalizados para uma rede com múltiplas variáveis ​​ocultas independentes. Em tal rede quântica, a teoria quântica com apenas números reais, ou "teoria quântica real", e a teoria quântica padrão fazem previsões quantitativamente diferentes em alguns cenários, permitindo testes experimentais da validade da teoria quântica real.

Pesquisadores da Southern University of Science and Technology na China, da Academia Austríaca de Ciências e de outros institutos em todo o mundo adaptaram recentemente um desses testes para que possam ser implementados em sistemas fotônicos de última geração. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , demonstra experimentalmente a existência de correlações quânticas em uma rede óptica que não pode ser explicada pela teoria quântica real.

“Desde os primeiros dias da teoria quântica, os números complexos eram tratados mais como uma conivência matemática do que um bloco de construção fundamental”, disse Zizhu Wang, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "O debate geral sobre o papel dos números complexos na teoria quântica continuou até o presente."

Na década de 1960, o físico suíço Ernst Stueckelberg e seus colegas formularam com sucesso a teoria quântica em espaços reais de Hilbert. Embora este tenha sido um marco importante na área, sua formulação não utilizou o renomado, chamado "produto tensor" para compor os diferentes sistemas. Isso significa essencialmente que sua formulação não é consistente com o que é conhecido como "teoria quântica real".

“O interesse nesta questão foi revivido quando começamos a olhar para a teoria quântica de uma perspectiva da teoria da informação”, explicou Wang. "Algumas teorias probabilísticas generalizadas (GPTs), formuladas usando apenas números reais, acabam sendo tão poderosas quanto a teoria quântica em algumas tarefas de processamento de informações e até superam a teoria quântica em outras. Mesmo sabendo que as GPTs contêm correlações além da teoria quântica, não tínhamos as ferramentas para descartar definitivamente a teoria quântica real como uma alternativa viável à teoria quântica complexa, até agora."
 
O artigo recente de Fan e seus colegas inspira-se em um debate de longa data no campo da física, a saber, o referente à existência de variáveis ​​ocultas locais na teoria quântica. Os físicos Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen colocaram esta importante questão em um de seus artigos seminais, publicado em 1935. existem variáveis ​​ocultas.

“Em 1964, John Bell teve a ideia revolucionária de usar funções de correlação de probabilidades, que podem ser testadas e analisadas em laboratório, para inferir propriedades subjacentes de sistemas físicos”, disse Jingyun Fan, outro pesquisador envolvido no estudo, à Phys. .org. "Levou mais 50 anos para finalmente resolver esse debate e descartar sistematicamente explicações de variáveis ​​ocultas locais da teoria quântica".

Embora tenha sido aplicado com sucesso em muitos estudos, o teorema de Bell sozinho não é poderoso o suficiente para prever com precisão as diferenças entre teorias quânticas reais e complexas. Em seu estudo recente, Fan e seus colegas conseguiram avaliar essas diferenças considerando uma rede quântica com várias fontes independentes.

"Recentemente, uma equipe de teóricos, incluindo Miguel Navascués, Mirjam Weilenmann, Armin Tavakoli, David Trillo e Thinh P. Le de Viena, Antonio Acín, Marc-Olivier Renou de Barcelona e Nicolas Gisin de Genebra, percebeu que uma generalização natural de Bell teste em uma rede pode distinguir a teoria quântica complexa da teoria quântica real", disse Fan. "Em uma rede em que as partes estão conectadas através de várias fontes independentes de emaranhamento, a teoria quântica real não concorda com todas as previsões da teoria quântica complexa. Isso abre caminho para a distinção experimental entre as duas teorias em uma rede quântica baseada em fontes de emaranhamento independentes."

Para implementar e testar a teoria desenvolvida por Navascués e seus colegas em um ambiente experimental, os pesquisadores usaram uma rede quântica óptica de última geração. Um pressuposto chave da teoria é a independência de fonte, o que implica que a rede analisada deve consistir em fontes de emaranhamento independentes, produzindo pares de estados emaranhados.

A teoria sugere que, quando essa suposição não é atendida, as previsões se tornam inválidas. Para garantir que isso fosse atendido em seus experimentos, Fan e seus colegas usaram uma rede fotônica na qual as fontes de fótons emaranhados são fisicamente separadas.

"Outro desafio experimental é que o sistema experimental deve ser limpo com muito pouco ruído", disse Fan. "Uma equipe de cientistas, incluindo Zhengda Li, Yali Mao, Hu Chen, Lixin Feng, Shengjun Yang e eu da Southern University of Science and Technology em Shenzhen e Zizhu Wang da University of Electronic Science and Technology of China em Chengdu, a cidade famosa por seus pandas, superou esses desafios", disse Fan. "Construímos um experimento de rede quântica com duas fontes independentes de emaranhamento e três partes (ou seja, Alice, Bob e Charlie) e observamos correlações violando as restrições da teoria quântica real por mais de 4,5 desvios padrão."

Em contraste com o teste experimental realizado por Fan e seus colegas, os testes padrão baseados na teoria de Bell empregam apenas uma única fonte de emaranhamento e consideram duas partes (ou seja, Alice e Bob). Seu cenário experimental permitiu que os pesquisadores superassem os desafios associados aos testes padrão baseados em teoremas de Bell e testassem efetivamente as diferenças entre teorias quânticas reais e complexas.

“Nosso experimento necessariamente refuta a teoria quântica real como uma teoria física universal, mostrando claramente que nem todas as previsões baseadas na teoria quântica padrão com números complexos podem ser modeladas pelo análogo do número real da teoria quântica padrão”, disse Fan. "Portanto, os números complexos são fundamentais para a teoria quântica ."

No futuro, o recente estudo realizado por essa equipe de pesquisadores poderá abrir caminho para novas pesquisas avaliando os fundamentos da física quântica, principalmente em redes quânticas. Em última análise, isso poderia permitir o desenvolvimento de novas tecnologias e aplicações quânticas inovadoras, já que o teorema de Bell é amplamente utilizado na ciência da informação quântica.

“Embora a não localidade de Bell de um sistema bipartido já seja contraintuitivo, a não localidade multipartida em nosso mundo de muitos corpos acaba sendo ainda mais: as correlações da natureza são infinitamente multipartidas não locais”, acrescentou Fan. "Curiosamente, acabamos de desenvolver um teste do tipo Bell para não-localidade multipartida genuína na rede para mostrar que a natureza é não-local multipartida ilimitada e conduzimos o primeiro experimento."

 

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