Pesquisadores da Linköping University, juntamente com colegas da Polônia e do Chile, confirmaram uma teoria que propõe uma conexão entre o princípio da complementaridade e a incerteza entrópica. O estudo deles foi publicado no periódico Science Advances .

"Nossos resultados não têm aplicação clara ou direta agora. É a pesquisa básica que estabelece a fundação para futuras tecnologias em informação quântica e computadores quânticos. Há um enorme potencial para descobertas completamente novas em muitos campos de pesquisa diferentes", diz Guilherme B Xavier, pesquisador em comunicação quântica na Linköping University, Suécia.

Mas para entender o que os pesquisadores mostraram, precisamos começar do começo.

Que a luz pode ser tanto partículas quanto ondas é uma das características mais ilógicas — mas ao mesmo tempo fundamentais — da mecânica quântica. Isso é chamado de dualidade onda-partícula .

A teoria remonta ao século XVII, quando Isaac Newton sugeriu que a luz é composta de partículas. Outros estudiosos contemporâneos acreditavam que a luz consiste em ondas. Newton finalmente sugeriu que poderia ser ambos, sem ser capaz de provar. No século XIX, vários físicos em vários experimentos mostraram que a luz na verdade consiste em ondas.

Mas por volta do início dos anos 1900, tanto Max Planck quanto Albert Einstein desafiaram a teoria de que a luz é apenas ondas. No entanto, foi somente na década de 1920 que o físico Arthur Compton conseguiu mostrar que a luz também tinha energia cinética, uma propriedade clássica das partículas.

As partículas foram chamadas de fótons. Assim, concluiu-se que a luz pode ser tanto partículas quanto ondas, exatamente como Newton sugeriu. Elétrons e outras partículas elementares também exibem essa dualidade onda-partícula.

Mas não é possível medir o mesmo fóton na forma de uma onda e uma partícula. Dependendo de como a medição do fóton é realizada, ondas ou partículas são visíveis. Isso é conhecido como princípio da complementaridade e foi desenvolvido por Niels Bohr em meados da década de 1920. Ele afirma que não importa o que se decida medir, a combinação das características de onda e partícula deve ser constante.

Em 2014, uma equipe de pesquisa de Cingapura demonstrou matematicamente uma conexão direta entre o princípio da complementaridade e o grau de informação desconhecida em um sistema quântico, a chamada incerteza entrópica.

Essa conexão significa que não importa qual combinação de características de onda ou partícula de um sistema quântico seja observada, a quantidade de informação desconhecida é pelo menos um bit de informação, ou seja, a onda ou partícula imensurável.

No novo estudo, os pesquisadores conseguiram confirmar a teoria dos pesquisadores de Cingapura na realidade com a ajuda de um novo tipo de experimento.

Em sua nova configuração de experimento, os pesquisadores de Linköping usaram fótons se movendo para frente em um movimento circular, chamado momento angular orbital , diferente do movimento oscilatório mais comum, que é para cima e para baixo. A escolha do momento angular orbital permite futuras aplicações práticas do experimento, porque ele pode conter mais informações.

As medições são feitas em um instrumento comumente usado em pesquisas, chamado interferômetro, onde os fótons são disparados em um cristal ( divisor de feixe ) que divide o caminho dos fótons em dois novos caminhos, que são então refletidos para cruzar um ao outro em um segundo divisor de feixe e então medidos como partículas ou ondas, dependendo do estado deste segundo dispositivo.

Uma das coisas que torna essa configuração de experimento especial é que o segundo divisor de feixe pode ser parcialmente inserido pelos pesquisadores no caminho da luz. Isso torna possível medir a luz como ondas, ou partículas, ou uma combinação delas na mesma configuração.

De acordo com os pesquisadores, as descobertas podem ter muitas aplicações futuras em comunicação quântica, metrologia e criptografia. Mas também há muito mais a explorar em um nível básico.

"Em nosso próximo experimento, queremos observar o comportamento do fóton se mudarmos a configuração do segundo cristal logo antes do fóton alcançá-lo. Isso mostraria que podemos usar essa configuração experimental na comunicação para distribuir chaves de criptografia com segurança , o que é muito emocionante", diz Daniel Spegel-Lexne, aluno de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica.