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Novo arcabouço teórico estabelece limites para a realização de processos quânticos no espaço-tempo
O teorema de Bell, o conhecido arcabouço teórico introduzido por John Bell décadas atrás, delineia os limites dos processos físicos clássicos decorrentes dos princípios de causalidade relativística. Esses são princípios enraizados na teoria...
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Ingrid Fadelli - 16/10/2024
Crédito: Vilasini & Renner
O teorema de Bell, o conhecido arcabouço teórico introduzido por John Bell décadas atrás, delineia os limites dos processos físicos clássicos decorrentes dos princípios de causalidade relativística. Esses são princípios enraizados na teoria da relatividade de Einstein, que ditam como causa e efeito operam no universo.
Pesquisadores da Inria, Université Grenoble Alpes e ETH Zurich recentemente se propuseram a investigar se tipos semelhantes de limites também se aplicam a processos quânticos. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters (PRL), introduz novos teoremas que descrevem limites fundamentais que podem restringir a realização de experimentos quânticos em espaços-tempos de fundo clássicos.
"A causalidade é essencial para a forma como damos sentido ao mundo, mas assume formas diferentes dentro de duas das nossas principais teorias físicas: a teoria quântica e a relatividade geral", disse V. Vilasini, coautor do artigo.
"Na teoria quântica, a causalidade diz respeito a como a informação flui entre sistemas e operações, enquanto na relatividade geral, ela está ligada à estrutura do próprio espaço-tempo. Surpreendentemente, a teoria quântica permite processos com 'ordem causal indefinida' (ICO) onde a sequência de eventos pode existir em uma superposição."
Para entender se os processos ICO, processos quânticos nos quais uma relação causal entre eventos sequenciais não existe, podem ocorrer fisicamente, os pesquisadores primeiro precisam conectar esses processos à noção relativística bem estabelecida de causalidade no espaço-tempo. Essa foi a principal motivação por trás do artigo recente de Vilasini e seu colega Renato Renner.
"Desenvolvemos uma estrutura teórica que liga os dois conceitos de causalidade de forma clara e consistente, visando usar suposições físicas mínimas", disse Vilasini. "Isso nos permitiu derivar teoremas gerais de não-vá para qualquer experimento quântico realizado no espaço-tempo clássico.
"Curiosamente, vários experimentos sofisticados já foram realizados, o que sugere um processo ICO, a 'troca quântica' no espaço-tempo de Minkowski. A interpretação física desses experimentos tem sido um assunto de discussões de longa data.
"Nossa estrutura e os resultados negativos se aplicam a esses experimentos também e produzem uma nova perspectiva detalhada sobre sua interpretação e como a causalidade quântica e relativística podem ser reconciliadas nesses experimentos."
Junto com seu artigo recente na PRL , Vilasini e Renner publicaram um manuscrito mais longo na Physical Review A. Neste artigo mais longo, eles descrevem seu formalismo em maiores detalhes, incluindo resultados adicionais que eles coletaram.
"Nosso artigo PRL apresenta dois teoremas proibidos que descrevem limites fundamentais nas configurações do espaço-tempo e possíveis explicações causais para experimentos quânticos em espaços-tempos clássicos, que respeitam a causalidade relativística (o que implica nenhuma sinalização mais rápida que a luz)", explicou Vilasini.
O primeiro teorema apresentado pelos pesquisadores mostra essencialmente que qualquer experimento que vise realizar com sucesso processos de ICO no espaço-tempo clássico exigiria que os sistemas de agentes de entrada e saída fossem não localizados ou ''espalhados'' no espaço-tempo.
O segundo teorema, por outro lado, demonstra teoricamente que, mesmo que um processo de ICO seja realizado sob as condições descritas pelo primeiro teorema, "ampliar" em um nível mais fino revelaria uma ordem causal bem definida e acíclica.
"Para dar uma analogia: imagine uma situação em que a demanda e o preço de uma mercadoria parecem influenciar um ao outro em um loop", disse Vilasini. "Após uma inspeção mais detalhada, perceberíamos que a demanda em um momento influencia o preço em um momento posterior, o que afeta a demanda em um momento ainda posterior, e assim por diante.
"Da mesma forma, em experimentos quânticos em espaços-tempos clássicos, embora a ICO possa aparecer em um nível 'grosseiro', um exame mais detalhado revelaria um processo quântico com uma ordem causal teórica da informação definida que se encaixa na causalidade do espaço-tempo."
Normalmente, a pesquisa em física experimental se baseia em teorias previamente introduzidas e visa testar suas previsões. Em contraste, os experimentos de troca quântica mencionados anteriormente já foram realizados anos atrás e alimentaram a busca por melhores estruturas teóricas para interpretá-los e entendê-los completamente.
"Apesar dos nossos resultados negativos, os experimentos ICO já realizados continuam fascinantes", disse Vilasini. "Embora esses experimentos possam se desvendar em uma ordem causal definida, há esperança de que eles envolvam um recurso quântico distinto não presente em cenários clássicos, onde graus de liberdade espacial e temporal desempenham um papel."
Os artigos recentes desta equipe de pesquisadores propõem uma estrutura unificada que poderia ser usada para relacionar diferentes noções de causalidade entre teorias quânticas e relativísticas, potencialmente permitindo uma reconciliação entre essas distintas teorias físicas.
Vilasini e Renner esperam que sua estrutura teórica promova novas colaborações interdisciplinares focadas na causalidade entre físicos especializados no estudo da mecânica quântica e da relatividade geral .
"A ideia de estruturas causais de granulação fina introduzida em nosso trabalho é versátil — pode ser aplicada independentemente de haver ou não um espaço-tempo de fundo clássico — isso pode oferecer novas técnicas para explorar a realização física de processos quânticos em cenários mais exóticos, como quando relógios ou hastes quânticos estão envolvidos, ou em regimes gravitacionais quânticos onde a geometria do espaço-tempo está sujeita à incerteza quântica", disse Vilasini.
Em seus próximos estudos, Vilasini e seus colaboradores planejam continuar construindo sua estrutura. Primeiro, eles esperam abordar a questão em aberto de quais classes de processos de ICO podem ser fisicamente realizadas no espaço-tempo.
"Em um projeto de acompanhamento com Matthias Salzger (agora baseado no Centro Internacional de Teoria de Tecnologias Quânticas, Gdansk), estendemos nossa estrutura para fornecer uma caracterização desses processos, sugerindo que processos ICO mais contraintuitivos, como aqueles que violam desigualdades causais, não podem ser realizados fielmente em espaços-tempos clássicos", disse Vilasini.
"Em nossos próximos estudos, seria intrigante investigar se nossos teoremas de não-vá ainda se mantêm nesses novos regimes (possivelmente gravitacionais quânticos) e determinar se uma classe mais ampla de processos ICO pode ser realizada lá. Por exemplo, há uma maneira de certificar operacionalmente a não-classicalidade da geometria do espaço-tempo, semelhante a como violações de desigualdades de Bell certificam a não-classicalidade em correlações?
"Ainda mais fundamentalmente, existe uma maneira de entender como o espaço-tempo ou aspectos familiares dele podem emergir de propriedades básicas de estruturas causais da teoria da informação quântica?"
No futuro, Vilasini também planeja investigar as possíveis aplicações de sua estrutura com Renner, para realizar o processamento de informações dentro de um espaço-tempo fixo. Em outras palavras, ela gostaria de determinar se a "quantumidade" na localização de sistemas poderia ser alavancada para realizar ou aprimorar a comunicação quântica, computação e criptografia.
Mais informações: V. Vilasini et al, Limites fundamentais para a realização de processos quânticos no espaço-tempo, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.080201 . No arXiv : arxiv.org/html/2408.13387v1
V. Vilasini et al, Incorporando estruturas teóricas da informação cíclicas em espaços-tempos acíclicos: resultados de não-vá para causalidade indefinida, Physical Review A (2024). DOI: 10.1103/PhysRevA.110.022227
Informações do periódico: Physical Review A , Physical Review Letters , arXiv
