Nossa compreensão do mundo é construída principalmente em percepções básicas, por exemplo, os eventos seguem uns aos outros em uma ordem bem definida. Essas ordens definidas são necessárias no mundo macroscópico, para os quais se aplicam as leis da física clássica. O trabalho atual de uma equipe de físicos da Universidade de Viena é a primeira quantificação experimental dessa superposição. Será publicado em uma próxima edição da Avanços da Ciência .

Ao descrever a natureza usando as leis físicas, os cientistas geralmente partem de experiências cotidianas. Contudo, nossa intuição usual não se aplica ao mundo quântico. Os físicos perceberam recentemente que a teoria quântica ainda nos força a questionar conceitos inatos, como a ordem em que as coisas ocorrem. Imagine, por exemplo, uma corrida entre dois amigos, Alice e Bob. Na vida cotidiana, o vencedor é o primeiro a cruzar a linha de chegada. Assim, o bom senso diz que ou Alice ganha, Bob vence, ou eles amarram. Este raciocínio, Contudo, nem sempre é aplicável no mundo quântico. Na verdade, a mecânica quântica permite que cada corredor ganhe e perca em uma corrida:Alice pode chegar à linha de chegada antes e depois de Bob na superposição quântica. Contudo, mesmo que realizássemos essa corrida quântica, como poderíamos verificar se os dois pilotos venceram na superposição? Parte do problema é que a mecânica quântica diz que quando observamos a corrida ela "entra em colapso". Isso significa que só vemos Alice vencer ou perder a corrida:não podemos ver a superposição.

Testemunhando ordens embaralhadas de operações

Um grupo de físicos liderado por Philip Walther da Universidade de Viena implementou uma nova medição, chamada de "testemunha causal", o que lhes permite assistir Alice ganhar e perder ao mesmo tempo. Esta técnica de medição emocionante foi projetada pelo grupo de teoria de Caslav Brukner na Academia Austríaca de Ciências. Formalmente, uma testemunha causal é uma ferramenta matemática para determinar se é possível descrever um experimento sem ter que recorrer a ordens sobrepostas. Usando esta nova ferramenta, os físicos podiam fazer mais do que simplesmente ver Alice ganhar e perder na superposição:eles foram capazes de quantificar o grau em que as duas situações realmente estavam sobrepostas.

Em vez de realizar uma corrida quântica microscópica, os cientistas sobrepuseram a ordem em que duas operações quânticas atuaram sobre as partículas de luz. Em seu experimento, os físicos colocaram fótons - partículas de luz - em uma superposição de dois caminhos diferentes. Cada caminho foi então roteado em ordens diferentes por meio de duas operações quânticas diferentes. Embora no passado a equipe tivesse criado essa superposição de ordens de operações quânticas, antes, eles só podiam verificar a sobreposição indiretamente.

Para implementar o testemunho causal, os físicos precisavam conceber um esquema que lhes permitisse extrair informações de dentro de um processo quântico altamente frágil sem destruí-lo. Para fazer isso, eles usaram outro sistema quântico para essencialmente levantar uma bandeira quando o fóton passasse por uma das operações quânticas. Embora isso ainda possa ter causado o colapso do sistema, os físicos descobriram um novo truque para medir o sistema quântico adicional, mantendo a superposição intacta. Sua nova técnica permitiu-lhes extrair apenas informações sobre a superposição geral, e não sobre a ordem das operações. A partir desses resultados de medição, eles confirmaram que os fótons realmente passaram por ambas as operações quânticas em duas ordens ao mesmo tempo.

Implicações futuras

O fato de que a ordem das operações quânticas pode ser colocada em superposição quântica abre um novo playground para os estudos em mecânica quântica. Do lado teórico, isso já é indicado por um grande número de estudos e propostas sobre o papel das "relações causais" na mecânica quântica. Contudo, traduzir essas propostas em experimentos de laboratório é um desafio. "Nossa demonstração experimental é um passo significativo nesta área, uma vez que demonstra como extrair informações dentro desses processos sem perturbar sua natureza quântica ", diz Giulia Rubino, autor principal do estudo.

O próximo objetivo do grupo é explorar novos avanços tecnológicos para criar superposições de processos mais complexos. Isso lhes permitirá obter insights mais profundos sobre a interação entre as relações causais e a mecânica quântica. Além disso, ele apresenta uma nova rota interessante para otimizar tarefas além do que é possível usando computadores quânticos padrão com uma ordem fixa de operações.