Pode não haver sentido em torno do que Albert Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância“. Com um experimento descrito hoje na revista Physical Review Letters – um feito que envolveu o aproveitamento da luz das estrelas para controlar as medições de partículas atiradas entre edifícios em Viena – alguns dos mais importantes cosmólogos e físicos quânticos do mundo estão fechando a porta sobre uma alternativa intrigante para o “emaranhamento quântico”.
“Tecnicamente, esta experiência é realmente impressionante”, disse Nicolas Gisin , um físico quântico na Universidade de Genebra, que estudou esta lacuna em torno de emaranhamento.
Segundo a teoria quântica padrão, as partículas não têm estados definidos, apenas probabilidades relativas de ser uma coisa ou
outra – pelo menos, até que elas sejam medidas, quando elas parecem “rolar os dados” e saltar. Mais estranho ainda, quando duas partículas interagem, eles podem ficar “entrelaçadas”, mudando suas probabilidades individuais e tornando-se componentes de uma função de probabilidade mais complicada que descreve ambas as partículas entre si. Esta função pode especificar que dois fótons emaranhados são polarizados em direções perpendiculares, com alguma probabilidade de que os fótons A sejam polarizados verticalmente e os fótons B é polarizados horizontalmente, e alguma chance de que ocorra o oposto. Os dois fótons podem viajar anos-luz de distância, mas permanecerão ligados: quando fótons A são polarizados verticalmente, fótons B instantaneamente tornam-se polarizados horizontalmente, mesmo que o estado de B não tenha sido especificado um momento antes e nenhum sinal tenha tido tempo para viajar entre eles. Esta é chamada “ação fantasmagórica” na qual Einstein era notoriamente cético em seus argumentos contra a integridade da mecânica quântica nos anos 1930 e 40.
Em 1964, o físico irlandês John Bell encontrou uma maneira de colocar esta noção paradoxal em teste. Ele mostrou que, se as partículas têm estados definidos, mesmo quando ninguém está olhando (um conceito conhecido como “realismo”) e se de fato nenhum sinal viaja mais rápido do que a luz (“localidade”), então não há um limite superior para a quantidade de correlação que pode ser observada entre os estados medidos de duas partículas. Mas experiências têm demonstrado uma e outra vez que partículas entrelaçadas são mais correlacionadas do que o limite superior de Bell, favorecendo a visão de mundo quântico radical sobre o realismo local.
Só há um empecilho: Além de localidade e realismo, Bell fez outra suposição sutil para derivar sua fórmula – que foi largamente ignorada durante décadas. “As três premissas do teorema de Bell que são relevantes são localidade, realismo e liberdade”, disse Andrew Friedman, do Massachusetts Institute of Technology, um co-autor do novo artigo. “Recentemente, foi descoberto que você pode manter localidade e realismo, dando apenas um pouco mais de liberdade.” Isto é conhecido como a brecha de “liberdade de escolha”.
Em um teste de Bell, fótons emaranhados A e B são separados e enviados para moduladores ópticos distantes – dispositivos que tanto bloqueiam fótons quanto deixá-os passar por detectores, dependendo se os moduladores estão alinhados ou não com as direções de polarização dos fótons. A desigualdade de Bell coloca um limite superior de quantas vezes, em um universo local-realista, os fótons A e B passam por seus moduladores e são detectados. (Os pesquisadores acreditam que fótons emaranhados estão correlacionados com mais frequência do que isso, violando o limite.) Essencialmente, a fórmula de Bell assume que as configurações dos dois moduladores ‘são independentes dos estados das partículas que estão sendo testadas’. Nos experimentos, os pesquisadores normalmente usam geradores de números aleatórios para definir ângulos de orientação dos dispositivos. No entanto, se os moduladores não são realmente independentes – se a natureza de alguma forma limita as possíveis configurações que podem ser escolhidas, correlacionando essas configurações com os estados das partículas nos momentos antes de um experimento ocorre – esta liberdade reduzida poderia explicar os resultados que normalmente são atribuídos para o entrelaçamento quântico.
O universo pode ser como um restaurante com 10 itens de menu, disse Friedman. “Você acha que você pode encomendar qualquer um dos 10, mas, em seguida, disse ele, ‘nós descartamos o frango” e descobrimos que existem só cinco das coisas que estavam realmente no menu anteriormente. Você ainda tem a liberdade de escolher entre os cinco restantes, mas você estava contando os seus graus de liberdade. “Da mesma forma”, disse ele, “pode haver incógnitas, restrições, condições de contorno, leis de conservação que poderiam acabar por limitar suas escolhas de uma forma muito forma sutil quando a criação de um experimento, levando a aparente violações do realismo local.”
Os membros da equipe de teste cósmico de Bell calibrando o telescópio usado para escolher as configurações de um de seus dois detectores localizados em edifícios distantes em Viena.
Esta eventual lacuna ganhou força em 2010, quando Michael Hall, agora, da Universidade de Griffith, na Austrália, desenvolveu uma forma quantitativa de reduzir a liberdade de escolha. Em testes de Bell, dispositivos de medição que têm duas configurações possíveis (correspondendo a um bit de informação: 1 ou 0), e por isso fazem com que dois bits de informação especifiquem suas configurações quando eles são verdadeiramente independentes. Mas Hall mostrou que se as configurações não são completamente independentes – se apenas um bit especificar uma vez em cada 22 execuções – isso reduz pela metade o número de possíveis configurações de medição disponíveis nessas 22 execuções. Isso reduziu a liberdade de escolha que correlaciona os resultados de medições suficientes para exceder o limite de Bell, criando a ilusão de emaranhamento quântico.
A ideia de que a natureza pode restringir a liberdade, mantendo o realismo local tornou-se mais atraente à luz das conexões emergentes entre informação e a geometria do espaço-tempo. A investigação sobre os buracos negros, por exemplo, sugere que a forte da gravidade em um volume de espaço-tempo, os menos bits podem estar guardados nessa região. A gravidade poderia ser a redução do número de possíveis configurações de medição em testes de Bell, um item secretamente impressionante do menu do universo?
Friedman, Alan Guth e seus colegas do MIT se divertiam com tais especulações de alguns anos atrás, quando Anton Zeilinger, um pesquisador famoso do teste de Bell na Universidade de Viena, veio os visitar. Zeilinger também teve suas atenções para a brecha de liberdade de escolha. Juntos, eles e seus colaboradores desenvolveram uma ideia de como distinguir entre um universo que carece de realismo local e um que inibe a liberdade.
Na primeira de uma série planejada de experiências de “testes cósmicos de Bell”, a equipe enviou pares de fótons a partir do telhado do laboratório de Zeilinger em Viena através das janelas abertas de dois outros edifícios e para moduladores ópticos, registrando detecções coincidentes, como de costume. Mas desta vez, eles tentaram reduzir a chance de que as definições do modulador poderiam, de alguma forma, tornar-se correlacionados com os estados de fótons nos momentos antes de cada medição. Eles apontaram um telescópio para fora de cada janela, focando cada telescópio em uma estrela brilhante e convenientemente localizada (mas de outra forma aleatória), e, antes de cada medição, utilizou-se a cor de um fóton de entrada de cada estrela para definir o ângulo do modulador associado. As cores destes fótons foram decididas a centenas de anos atrás, quando eles deixaram as suas estrelas, aumentando a chance de que eles (e, portanto, as configurações de medição) sejam independentes dos estados de fótons sendo medido.
E, no entanto, os cientistas descobriram que os resultados de medição ainda violam o limite superior de Bell, aumentando a sua confiança de que os fótons polarizados no experimento apresentam ação fantasmagórica à distância depois de tudo.
A natureza ainda pode explorar a brecha na liberdade de escolha, mas o universo teria de excluir itens do menu de configurações possíveis de medição, pelo menos, 600 anos antes das medições ocorreu (quando a mais próxima das duas estrelas enviou sua luz para a Terra). “Agora é preciso que as correlações sejam estabelecidas antes mesmo de Shakespeare escrever: “Até eu saber desta certeza incerteza, eu vou me entreter com a falácia oferecida”, disse Hall.
A equipe planeja usar a luz de quasares cada vez mais distantes para controlar suas configurações de medição, sondando mais para trás no tempo e dando o universo de uma janela ainda menor para correlacionar as configurações do dispositivo futuro e restringir liberdades. Também é possível (embora extremamente improvável) que a equipe encontre um ponto de transição onde as configurações de medição tornam-se não correlacionadas e violações de limite de Bell desaparecem – que iria provar que Einstein estava certo em duvidar da ação fantasmagórica.
“Para nós, parece que uma espécie de ganha-ganha”, disse Friedman. “Ou nós fechamos a brecha cada vez mais, e ficamos mais confiantes na teoria quântica, ou vemos algo que poderia apontar para uma nova física”.
Há uma possibilidade final que muitos físicos abominam. Pode ser que o universo restringiu a liberdade de escolha desde o início – todas as medidas foram predeterminados por correlações estabelecidas no Big Bang. O “Superdeterminismo“, como eleé chamado, é “desconhecido”, disse Jan-Åke Larsson, um físico da Universidade de Linköping, na Suécia; a tripulação de teste cósmica de Bell nunca será capaz de descartar correlações que existiam antes em estrelas, quasares ou qualquer outra fonte de luz no céu. Isso significa que a brecha de liberdade de escolha nunca pode ser completamente fechada.
Mas, dada a escolha entre o entrelaçamento quântico e superdeterminismo, a maioria dos cientistas tem emaranhamento como favorito – e, com ele, a liberdade. “Se as correlações foram, de fato definidas [no Big Bang], tudo está predestinado”, disse Larsson. “Acho que é uma visão de mundo chata. Eu não posso acreditar que isso seja verdade.”
Traduzido de Quanta Magazine