O emaranhamento quântico pode parecer mais próximo da ficção científica do que qualquer coisa em nossa realidade física. Mas de acordo com as leis da mecânica quântica - um ramo da física que descreve o mundo na escala dos átomos e partículas subatômicas - emaranhamento quântico, que Einstein uma vez ceticamente viu como "ação fantasmagórica à distância, " é, na verdade, real.

Imagine duas partículas de poeira em extremidades opostas do universo, separados por vários bilhões de anos-luz. A teoria quântica prevê que, independentemente da vasta distância que os separa, essas duas partículas podem ser emaranhadas. Isso é, qualquer medição feita em um transmitirá instantaneamente informações sobre o resultado de uma medição futura em seu parceiro. Nesse caso, os resultados das medições em cada membro do par podem se tornar altamente correlacionados.

Se, em vez de, o universo se comporta como Einstein imaginou que deveria - com partículas tendo as suas próprias, propriedades definidas antes da medição, e com causas locais apenas capazes de produzir efeitos locais - então deveria haver um limite superior para o grau em que as medições em cada membro do par de partículas poderiam ser correlacionadas. O físico John Bell quantificou esse limite superior, agora conhecido como "desigualdade de Bell, "há mais de 50 anos.

Em vários experimentos anteriores, físicos observaram correlações entre partículas que excedem o limite estabelecido pela desigualdade de Bell, o que sugere que eles estão realmente emaranhados, exatamente como previsto pela teoria quântica. Mas cada um desses testes foi sujeito a várias "lacunas, "cenários que poderiam explicar as correlações observadas mesmo se o mundo não fosse governado pela mecânica quântica.

Agora, físicos do MIT, a Universidade de Viena, e em outros lugares abordaram uma lacuna nos testes de desigualdade de Bell, conhecido como a brecha da liberdade de escolha, e apresentaram uma forte demonstração de emaranhamento quântico, mesmo quando a vulnerabilidade a essa lacuna é significativamente restrita.

"O espaço que sobrou para os céticos da mecânica quântica diminuiu consideravelmente, "diz David Kaiser, o professor Germeshausen de História da Ciência e professor de física no MIT. "Nós não nos livramos disso, mas nós o reduzimos em 16 ordens de magnitude. "

Uma equipe de pesquisa incluindo Kaiser; Alan Guth, o Professor Victor F. Weisskopf de Física no MIT; Andrew Friedman, um associado de pesquisa do MIT; e colegas de
a Universidade de Viena e em outros lugares publicou seus resultados hoje na revista Cartas de revisão física .

Fechando a porta para alternativas quânticas

A brecha da liberdade de escolha refere-se à ideia de que os experimentadores têm total liberdade na escolha de sua configuração experimental, dos tipos de partículas para emaranhar, às medições que eles escolhem fazer nessas partículas. Mas e se houvesse alguns outros fatores ou variáveis ​​ocultas correlacionadas com a configuração experimental, fazendo com que os resultados pareçam estar quanticamente emaranhados, quando na verdade eram o resultado de algum mecanismo não quântico?

Os físicos tentaram resolver essa lacuna com experimentos extremamente controlados, em que eles produzem um par de fótons emaranhados de uma única fonte, em seguida, envie os fótons para dois detectores diferentes e meça as propriedades de cada fóton para determinar seu grau de correlação, ou emaranhamento. Para descartar a possibilidade de que variáveis ​​ocultas possam ter influenciado os resultados, pesquisadores usaram geradores de números aleatórios em cada detector para decidir qual propriedade de cada fóton medir, na fração de segundo entre o momento em que o fóton deixa a fonte e chega ao detector.

Mas há uma chance, embora leve, que variáveis ​​ocultas, ou influências não quânticas, pode afetar um gerador de números aleatórios antes de retransmitir sua decisão de fração de segundo para o detector de fótons.

"No cerne do emaranhamento quântico está o alto grau de correlações nos resultados das medições desses pares [de partículas], "Kaiser diz." Mas e se um cético ou crítico insistisse que essas correlações não eram devidas a essas partículas agindo de uma maneira totalmente mecânica quântica? Queremos saber se existe alguma outra maneira pela qual essas correlações poderiam ter se infiltrado sem que percebêssemos. "

"Estrelas alinhadas"

Em 2014, Kaiser, Friedman, e seu colega Jason Gallicchio (agora professor do Harvey Mudd College) propôs um experimento para usar fótons antigos de fontes astronômicas, como estrelas ou quasares, como "geradores de configuração cósmica, "em vez de geradores de números aleatórios na Terra, para determinar as medições a serem feitas em cada fóton emaranhado. Essa luz cósmica chegaria à Terra de objetos que estão muito distantes - de dezenas a bilhões de anos-luz de distância. Assim, se algumas variáveis ​​ocultas interferissem na aleatoriedade da escolha das medidas, eles teriam que colocar essas mudanças em movimento antes que a luz deixasse a fonte cósmica, muito antes de o experimento na Terra ser conduzido.

Neste novo artigo, os pesquisadores demonstraram sua ideia experimentalmente pela primeira vez. O time, incluindo o professor Anton Zeilinger e seu grupo no

Universidade de Viena e a Academia Austríaca de Ciências, montou uma fonte para produzir pares de fótons altamente emaranhados no telhado de um laboratório universitário em Viena. Em cada execução experimental, eles dispararam os fótons emaranhados em direções opostas, em direção a detectores localizados em prédios a vários quarteirões de distância - o Banco Nacional da Áustria e um segundo prédio de universidade.

Os pesquisadores também instalaram telescópios em ambos os locais de detecção e os treinaram em estrelas, o mais próximo fica a cerca de 600 anos-luz de distância, que eles haviam determinado anteriormente que enviariam fótons suficientes, ou luz das estrelas, em sua direção.

"Nessas noites, as estrelas alinhadas, "Friedman diz." E com estrelas brilhantes como essas, o número de fótons entrando pode ser como uma mangueira de incêndio. Portanto, temos esses detectores muito rápidos que podem registrar detecções de fótons cósmicos em escalas de tempo de subnanosegundos. "

"Fora de sintonia" com Einstein

Nos poucos microssegundos antes de um fóton emaranhado chegar a um detector, os pesquisadores usaram cada telescópio para medir rapidamente uma propriedade de um fóton estelar de entrada - neste caso, se seu comprimento de onda era mais vermelho ou mais azul do que um comprimento de onda de referência particular. Eles então usaram esta propriedade aleatória do fóton estelar, gerado há 600 anos por sua estrela, para determinar qual propriedade dos fótons emaranhados que chegam medir. Nesse caso, fótons estelares vermelhos sinalizaram um detector para medir a polarização de um fóton emaranhado em uma direção particular. Um fóton estelar azul configuraria o dispositivo para medir a polarização da partícula emaranhada ao longo de uma direção diferente.

A equipe conduziu dois experimentos, com cada corrida experimental durando apenas três minutos. Em cada caso, os pesquisadores mediram cerca de 100, 000 pares de fótons emaranhados. Eles descobriram que as medições de polarização dos pares de fótons eram altamente correlacionadas, bem além do limite estabelecido pela desigualdade de Bell, de uma forma que é mais facilmente explicada pela mecânica quântica.

"Encontramos respostas consistentes com a mecânica quântica em um grau extremamente forte, e enormemente fora de sintonia com uma previsão do tipo Einstein, "Kaiser diz.

Os resultados representam melhorias de 16 ordens de magnitude em relação aos esforços anteriores para resolver a lacuna da liberdade de escolha.

"Todos os experimentos anteriores poderiam ter sido sujeitos a esta lacuna estranha para explicar os resultados microssegundos antes de cada experimento, versus nossos 600 anos, "Kaiser diz." Portanto, é uma diferença de um milionésimo de segundo contra o equivalente a 600 anos de segundos - 16 ordens de magnitude. "

"Este experimento adia o último momento em que a conspiração poderia ter começado, "Guth acrescenta." Estamos dizendo, para que algum mecanismo maluco simule
mecânica quântica em nosso experimento, esse mecanismo tinha que estar em vigor há 600 anos para planejarmos o experimento aqui hoje, e ter enviado fótons com as mensagens certas para acabar reproduzindo os resultados da mecânica quântica. Portanto, é muito rebuscado. "

Há também um segundo, possibilidade igualmente rebuscada, diz Michael Hall, pesquisador sênior da Griffith University em Brisbane, Austrália.

"Quando os fótons de estrelas distantes alcançam os dispositivos que determinam as configurações de medição, é possível que esses dispositivos atuem de alguma forma para alterar as cores dos fótons, de uma forma que está correlacionada com o laser que produz o emaranhamento, "diz Hall, que não estava envolvido no trabalho. "Isso exigiria apenas uma conspiração de 10 microssegundos entre os dispositivos e o laser. No entanto, a ideia de que os fótons não mostram suas 'cores verdadeiras' quando detectados derrubaria toda a astronomia observacional e eletromagnetismo básico. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.