(Phys.org) - Os físicos estão cada vez mais perto de responder a uma das questões mais antigas e básicas da teoria quântica:o estado quântico representa a realidade ou apenas nosso conhecimento da realidade?

George C. Knee, um físico teórico da Universidade de Oxford e da Universidade de Warwick, criou um algoritmo para projetar experimentos ótimos que poderia fornecer a evidência mais forte de que o estado quântico é um estado ôntico (um estado de realidade) e não um estado epistêmico (um estado de conhecimento). Knee publicou um artigo sobre a nova estratégia em uma edição recente do New Journal of Physics .

Enquanto os físicos têm debatido sobre a natureza do estado quântico desde os primeiros dias da teoria quântica (com, mais famosa, Bohr sendo a favor da interpretação ôntica e Einstein defendendo a epistêmica), a maioria das evidências modernas tem apoiado a visão de que o estado quântico de fato representa a realidade.

Filosóficamente, esta interpretação pode ser difícil de engolir, pois significa que as muitas características contra-intuitivas da teoria quântica são propriedades da realidade, e não devido a limitações da teoria. Um dos mais notáveis ​​desses recursos é a superposição. Antes que um objeto quântico seja medido, a teoria quântica diz que o objeto existe simultaneamente em mais de um estado, cada um com uma probabilidade particular. Se esses estados forem ônticos, isso significa que uma partícula realmente ocupa dois estados ao mesmo tempo, não apenas que parece assim devido à nossa capacidade limitada de preparar partículas, como na visão epistêmica.

O que exatamente significa uma capacidade limitada de preparar partículas? Para entender isso, Knee explica que os diferentes estados quânticos devem ser pensados ​​como distribuições sobre os possíveis estados verdadeiros da realidade. Se houver alguma sobreposição entre essas distribuições, então, os estados de realidade em que uma partícula pode ser preparada são limitados.

Atualmente não está claro se realmente existe alguma sobreposição entre as distribuições de estados quânticos. Se houver sobreposição zero, então a partícula deve realmente estar ocupando dois estados ao mesmo tempo, que é a visão ôntica. Por outro lado, se houver alguma sobreposição, então é possível que a partícula exista em um estado na área de sobreposição, e simplesmente não podemos dizer a diferença entre as duas possibilidades devido à sobreposição. Esta é a visão epistêmica, e remove um pouco da estranheza da superposição, explicando que a indistinguibilidade de dois estados é resultado da sobreposição (e da limitação humana) e não da realidade.

Enquadrar a questão em termos de sobreposição oferece uma maneira de testar as duas perspectivas. Se os físicos podem mostrar que a indistinguibilidade dos estados quânticos pode de alguma forma ser explicada pela realidade e não se sobrepor, então isso coloca restrições mais rígidas à visão epistêmica e torna a visão ôntica mais plausível.

A chave para esses testes é que a tarefa de discriminar entre dois estados sempre tem um pequeno erro envolvido. Tendo concluído, o conhecimento onisciente sobre a realidade deve melhorar a discriminação do Estado. Mas por quanto? Esta é a grande questão, e os físicos estão tentando mostrar que o valor dessa "melhoria devido ao aumento da realidade dos estados quânticos" é muito grande. Isso significaria que a sobreposição desempenha muito pouco, caso existam, papel em explicar por que os estados são indistinguíveis. Não é simplesmente que os físicos não possam preparar com precisão o verdadeiro estado da realidade, é que a indistinguibilidade deve ser pensada como uma propriedade fundamental dos próprios estados quânticos.

Atualmente, os melhores dados experimentais mostram que a quantidade de melhoria de erro que pode ser atribuída à sobreposição é de cerca de 69%. No novo jornal, Knee propôs uma forma de reduzir esse valor para menos de 50% com a tecnologia atual. Como ele explica, isso significaria que "a sobreposição está fazendo menos da metade do trabalho necessário para explicar a indistinguibilidade de estados quânticos não ortogonais".

“O maior significado do trabalho é o novo conhecimento sobre como realizar experimentos que possam mostrar a realidade do estado quântico, "Joelho disse Phys.org . "O grande bônus é que os experimentalistas agora serão capazes de fazer mais com menos:isto é, fazer restrições cada vez mais rígidas sobre as possíveis interpretações da mecânica quântica com menos recursos experimentais. Esses experimentos normalmente requerem esforços heróicos, mas o progresso teórico deve significar que agora eles são possíveis com equipamentos mais baratos e em menos tempo. "

Para alcançar tal melhoria, O trabalho de Knee aborda um dos maiores desafios neste tipo de teste, que é identificar os tipos de estados e medidas que otimizam a melhoria do erro. Este é um problema de otimização de dimensão muito alta - com pelo menos 72 variáveis, é extremamente difícil de resolver usando métodos convencionais de otimização.

Knee mostrou que uma abordagem muito melhor para esse tipo de problema de otimização é convertê-lo em um problema que pode ser estudado com métodos de programação convexa. Para pesquisar as melhores combinações de variáveis, ele aplicou técnicas da teoria de otimização convexa, otimizando alternadamente uma variável e depois a outra até que os valores ótimos de ambas convergem. Essa estratégia garante que os resultados sejam "parcialmente ideais, "o que significa que nenhuma mudança em apenas uma das variáveis ​​poderia fornecer uma solução melhor. E não importa o quão ótimo seja o resultado, Knee explica que pode nunca ser possível descartar totalmente a visão epistêmica.

"Sempre haverá espaço para se mexer!" ele disse. "Certamente com as técnicas que conhecemos atualmente, uma pequena quantidade de sobreposição epistêmica pode sempre ser mantida, porque os experimentos devem ser concluídos em um período de tempo finito, e sempre sofrem com um pouco de barulho. Isso para não falar das brechas mais malucas que um epistemista convicto poderia tentar pular:por exemplo, geralmente pode-se apelar para a retrocausalidade ou amostragem injusta para contornar os resultados de qualquer 'metafísica experimental'. No entanto, Eu acredito que mostrar o estado quântico deve ser pelo menos 50% real é uma meta alcançável que a maioria das pessoas razoáveis ​​não seria capaz de se esquivar de aceitar. "

Um resultado especialmente surpreendente e encorajador da nova abordagem é que ela mostra que estados mistos poderiam funcionar melhor para apoiar a visão ôntica do que estados puros. Tipicamente, estados mistos são considerados mais epistêmicos e de baixo desempenho do que estados puros em muitas aplicações de processamento de informações quânticas. O trabalho de Knee mostra que uma das vantagens dos estados mistos é que eles são extremamente robustos ao ruído, o que sugere que os experimentos não precisam de uma precisão quase tão alta quanto se pensava anteriormente para demonstrar a realidade do estado quântico.

"Espero sinceramente que os experimentalistas sejam capazes de usar as receitas que encontrei em um futuro próximo, "Joelho disse." É provável que a técnica geral que desenvolvi se beneficiaria de alguns ajustes para adaptá-la a uma configuração experimental específica (por exemplo, íons em armadilhas, fótons ou sistemas supercondutores). Também há espaço para melhorias teóricas adicionais à técnica, como combiná-lo com outras abordagens teóricas conhecidas e introduzir restrições extras para aprender algo sobre a estrutura geral da interpretação epistêmica. O Santo Graal do ponto de vista teórico seria encontrar as melhores receitas experimentais possíveis e provar que elas são tanto! Isso é algo em que vou continuar a trabalhar. "

© 2017 Phys.org