(Phys.org) —Os físicos relataram algumas das evidências mais fortes de que o mundo quântico não obedece ao realismo local ao demonstrar novas evidências da existência de emaranhamento quântico. Ao realizar um teste de Bell essencialmente livre de lacunas, eles mostraram que dois átomos separados por uma distância de um quarto de milha compartilham correlações que deveriam ser impossíveis sob a hipótese de realismo local, e são provavelmente explicados pelo emaranhamento quântico.

O novo teste de Bell foi realizado por um grupo de pesquisadores liderado por Harald Weinfurter na Ludwig Maximilian University de Munique e no Instituto Max Planck de Óptica Quântica, ambos na Alemanha.

A probabilidade de que as correlações observadas possam ser explicadas pelo realismo local devido a algumas "variáveis ​​ocultas" desconhecidas, em vez de emaranhamento, é menor que uma em um bilhão, os físicos escrevem em seu artigo publicado em Cartas de revisão física . Ao contabilizar todos os seus dados acumulados, levado ao longo de sete meses, essa probabilidade cai ainda mais, até cerca de um em dez quatrilhões (o número 1 seguido por 16 zeros). Isso significa que o mundo quântico viola a localidade (que objetos distantes não podem influenciar uns aos outros em menos de um determinado período de tempo) ou o realismo (que os objetos existem independentemente de alguém os medir ou não), ou possivelmente ambos.

Três testes de Bell

O teste relatado aqui é o mais recente teste de Bell sem lacunas:aquele que fecha simultaneamente as duas maiores lacunas, a lacuna de localidade e a lacuna de detecção. Fechar ambas as brechas é vital para excluir quaisquer explicações alternativas, como a possibilidade de que dois objetos emaranhados estejam secretamente compartilhando informações (brecha de localidade) ou de que as partículas detectadas não sejam representativas de toda a amostra, mas formem um subconjunto especial que distorce os dados (brecha de detecção).

O primeiro teste de Bell sem lacunas, relatado em 2015 por uma equipe liderada por Ronald Hanson na Universidade de Delft, demonstraram o emaranhamento entre os spins de elétrons dos centros de vacância de nitrogênio (NV) no diamante. Um pouco depois, outros testes de Bell sem lacuna relataram emaranhamento entre fótons. O teste de Bell relatado aqui demonstra o emaranhamento entre um terceiro tipo de sistema:os estados de spin dos átomos.

"Na minha opinião, o maior significado deste trabalho é a exclusão definitiva do realismo local, "co-autor Wenjamin Rosenfeld, na Ludwig Maximilian University of Munich e no Max Planck Institute for Quantum Optics, contado Phys.org . "É bom que experimentos semelhantes tenham sido realizados com sistemas diferentes (fótons, Centros NV) essencialmente ao mesmo tempo, portanto, todos os resultados juntos podem ser considerados verdadeiramente conclusivos. Agora não é mais uma questão de crença se a natureza pode ou não ser descrita de uma forma realista local, mas uma questão de fato. (Contudo, o problema da liberdade de escolha ainda precisa ser resolvido.) "

Configuração experimental

O novo experimento envolveu aprisionar um átomo de rubídio no porão do prédio de física da Universidade Ludwig Maximilian de Munique e prender um segundo átomo de rubídio no porão do prédio de economia, cerca de 400 metros de distância. Uma fibra óptica conectou os dois locais de medição.

Em seus testes, os cientistas excitaram os átomos, fazendo com que eles emitam fótons em horários precisamente definidos. Os fótons então viajaram através da fibra óptica e interferiram uns com os outros. Esta interferência quântica, em teoria, faz com que os átomos fiquem emaranhados. Para detectar este emaranhamento, os pesquisadores realizaram medições nos fótons, repetir as medições indefinidamente para dezenas de milhares de pares de fótons. Os resultados mostraram esmagadoramente que os pares de fótons distantes estavam de fato emaranhados.

Última brecha

Uma das últimas lacunas possíveis para a maioria dos testes de Bell diz respeito à escolha da medição feita nos átomos. Uma vez que essas medições podem ser realizadas de várias maneiras, é importante confirmar que o experimentador é livre para escolher qual medição particular fazer, e que as variáveis ​​ocultas não estão influenciando a escolha da medida e de alguma forma permitindo que os átomos sincronizem suas propriedades. Essa possibilidade é chamada de brecha do livre-arbítrio ou liberdade de escolha.

Para tentar fechar esta lacuna, os pesquisadores usaram um gerador de números aleatórios quânticos de alta velocidade que escolhe configurações de medição que são verdadeiramente aleatórias - quase. O problema é que existe uma possibilidade muito pequena de que os geradores de números aleatórios possam ter se comunicado uns com os outros ou com o resto do experimento antes do início do experimento. Isso pode permitir que os átomos conheçam os números aleatórios, e, consequentemente, as medições a serem realizadas, antecipadamente, permitindo que sincronizem suas propriedades.

Os físicos explicam que a única maneira de fechar completamente essa lacuna é usar um gerador de números aleatórios extraterrestre, como a emissão de fótons inerentemente aleatória de estrelas localizadas a milhões de anos-luz de distância. A vasta distância entre as estrelas e um experimento baseado na Terra tornaria praticamente impossível a ocorrência de qualquer comunicação secreta, uma vez que significaria que tal comunicação teria que ocorrer antes que a luz deixasse as estrelas, milhões de anos atrás. Vários laboratórios de física estão atualmente desenvolvendo geradores de números aleatórios extraterrestres para essa finalidade.

Comunicação segura

Uma vez que o emaranhamento quântico provavelmente será um recurso importante em futuras tecnologias quânticas seguras, fechar essas lacunas ajuda a aumentar a segurança de aplicativos futuros no nível mais fundamental. Os pesquisadores esperam que os métodos usados ​​neste estudo também contribuam para novos desenvolvimentos em sistemas de informação quântica e redes de repetidores quânticos, que são usados ​​para comunicar informações quânticas a longas distâncias. Eles planejam investigar melhor esta aplicação no futuro.

"Além de outras questões fundamentais considerando a problemática da liberdade de escolha, há muito que se pode trabalhar aqui, "Rosenfeld disse." Por um lado, pode-se tentar empurrar o sistema ainda mais (especialmente a fidelidade do estado emaranhado) para ser capaz de executar os chamados protocolos 'independentes de dispositivo'. Isso permitiria obter uma chave criptográfica segura, mesmo de dispositivos potencialmente não confiáveis ​​(fornecidos por terceiros). Aqui, A desigualdade de Bell oferece a possibilidade de testar, se os dispositivos foram de alguma forma preparados com antecedência para produzir uma chave conhecida do adversário. Além disso, as técnicas de geração de emaranhamento entre objetos distantes são importantes para redes quânticas, permitindo a comunicação segura em longas distâncias. "

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