Tecnologia Científica

Partículas elementares se separam de suas propriedades
Nesse tipo de comunicação quântica, os observadores em ambos os lados de um
Por Anna Demming - 08/12/2020


Uma partícula se separando de suas propriedades pode ajudar a explicar o paradoxo do impacto de um espelho em uma partícula que nunca entra em contato com ele em comunicação quântica contrafactual. Crédito: cartas de revisão física.

"Ação assustadora à distância", o resumo de Einstein da física quântica, tem sido uma crítica à mecânica quântica desde o surgimento do campo. Até agora, as descrições de partículas emaranhadas para explicar suas respostas aparentemente mais rápidas do que a luz, e até mesmo explicações para as mudanças de fase induzidas por um campo eletromagnético em regiões onde é zero - o efeito "Aharonov-Bohm" - trataram principalmente dessas preocupações . No entanto, as recentes demonstrações teóricas e experimentais de um protocolo de comunicação quântica "contrafactual" têm se mostrado difíceis de explicar em termos de causa e efeito físicos. Nesse tipo de comunicação quântica, os observadores em ambos os lados de um "canal de transmissão" trocam informações sem que nenhuma partícula passe entre eles - realmente assustador.

Agora, Yakir Aharonov , professor da Universidade de Tel Aviv em Israel e da Universidade Chapman nos EUA, e Daniel Rohrlich , professor da Universidade Ben-Gurion de Negev em Israel, examinaram mais de perto este protocolo de comunicação quântica contrafactual em termos de propriedades de partículas conservadas. Sua análise fornece uma explicação da comunicação quântica contrafactual que não invoca uma "ação fantasmagórica à distância", mas, em vez disso, implica que a partícula e uma de suas propriedades conservadas - momento angular modular - se separam.

O assustador protocolo quântico

O protocolo de comunicação quântica contrafactual relatado em 2013 surgiu por meio de estudos teóricos de dois observadores - os bons e velhos Alice e Bob - ligando através de partículas ao longo de um canal de transmissão, conforme relatado por Hatim Salih, Zheng Hong Li, Mohammad Al-Amri e Muhammad Suhail Zubairy (então no Centro Nacional de Matemática e Física na Arábia Saudita e na Texas A&M University nos EUA).

“Eles ficaram muito interessados ​​no fato de que essas partículas massivas, que seriam sinais, poderiam ser interrompidas e bloqueadas”, explica Rohrlich. Em sua análise, Salih e co-autores mostraram que quando havia duas barreiras de bloqueio parcial no canal, Alice foi capaz de identificar se Bob fechou ou não sua extremidade do canal com um espelho refletor ou o deixou aberto, mesmo que o A função de onda, à medida que evoluiu nas condições estabelecidas, não conseguiu entrar na extremidade do canal de Bob.

"Achamos extremamente interessante - a possibilidade de comunicação sem que nada se passe entre as duas pessoas que se comunicam", diz Aharonov. "E queríamos ver se podemos entendê-lo melhor."

Uma abordagem conservadora

Na verdade, Aharonov já tem um legado em interpretações de fenômenos quânticos aparentemente estranhos, que remonta ao seu trabalho em 1959 para explicar o efeito Aharonov-Bohm, às vezes referido como o efeito Ehrenberg-Siday-Aharanov-Bohm em reconhecimento a uma previsão teórica do efeito em 1949. Pesquisadores experimentais observaram uma mudança de fase em partículas carregadas perto de um campo eletromagnético, embora o campo fosse zero em toda a região ocupada pela função de onda da partícula.
 
"Normalmente, as pessoas pensam apenas na função de onda", diz Aharonov, referindo-se às descrições comuns de superposição. "Eles pensam sobre isso matematicamente, mas não o conectam com uma quantidade conservada que é o momento modular." Ao analisar os efeitos quânticos em termos de troca de uma variável conservada - o momento modular - Aharonov e Daniel Bohm foram capazes de explicar o efeito Aharonov-Bohm. Agora, ao lado de Rohrlich, ele começou a aplicar o mesmo tipo de análise ao protocolo de comunicação quântica contrafactual.

Rohrlich e Aharonov consideraram dois canais de transmissão paralelos - um com a extremidade de Bob fechada com um espelho e outro aberta. (Isso também equivale a um único canal de transmissão onde o espelho de Bob está em uma superposição de estados aberto e fechado.) Eles então consideram uma função de onda inicial em uma superposição do estado no canal aberto mais o estado no canal fechado.

O problema surge porque, como Salih e os co-autores mostraram, a função de onda evolui de maneira diferente dependendo se a extremidade de Bob está fechada ou não. Como resultado, depois de decorrido um certo período de tempo, a sobreposição será o estado de um canal menos o estado do outro canal, mas isso equivale a uma fase diferente da função de onda inicial. Como o momento angular modular depende da fase, isso sugere que o momento angular modular da partícula mudou, embora a função de onda da partícula não pudesse ocupar a parte do canal onde Bob está com seu espelho aberto ou fechado.

"A única maneira de explicar como o momento angular mudou é que parte do momento angular da partícula saiu dele e foi para o outro lado", diz Aharonov. Como explicam ele e Rohrlich, parte do momento angular deixa a partícula, entra na região do canal de transmissão que a função de onda da partícula não consegue, e aí é absorvida pelo espelho de forma que o valor do momento angular modular na partícula é alterado. Eles também sugerem que resultados semelhantes podem resultar da consideração do momento angular de rotação e outras propriedades conservadas.

Propriedades temperamentais

Aharonov e Rohrlich comparam o comportamento da partícula e seu momento angular modular ao sorridente gato de Cheshire em "As Aventuras de Alice no País das Maravilhas", que parece seguir em frente, deixando seu sorriso para trás. "Embora seja muito surpreendente que as propriedades possam deixar suas partículas, não é tão surpreendente como dizer que nada aconteceu e houve um efeito", diz Aharonov, comparando sua explicação com a ideia da partícula com suas propriedades não encontrando nada que possa mudar o momento angular modular , embora essa propriedade mude de qualquer maneira.

Como todos os novos conceitos, a explicação de Aharonov e Rohrlich também tem suas críticas. Rohrlich destaca o ponto levantado por um dos revisores (anônimos) do artigo, que mesmo assim fez uma avaliação geral positiva do artigo. “Eles estavam dizendo, com humor: sim, evitamos um problema, mas nos metemos em outro”, diz Rohrlich. No entanto, ele acrescenta: "Se você está falando sobre um gato e seu sorriso, isso é muito estranho, mas é claro, tudo isso tem que se traduzir de volta para as partículas elementares, e se uma partícula elementar perder seu spin porque seu spin vai para outro lugar - talvez seja algo com o qual possamos nos acostumar. "

 

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