Ano passado, físicos do MIT, a Universidade de Viena, e em outros lugares forneceu forte suporte para emaranhamento quântico, a ideia aparentemente exagerada de que duas partículas, não importa o quão distantes um do outro no espaço e no tempo, pode estar inextricavelmente ligado, de uma forma que desafia as regras da física clássica.

Leva, por exemplo, duas partículas situadas em bordas opostas do universo. Se eles estão realmente enredados, então, de acordo com a teoria da mecânica quântica, suas propriedades físicas devem ser relacionadas de tal forma que qualquer medição feita em uma partícula deve transmitir instantaneamente informações sobre qualquer resultado de medição futuro da outra partícula - correlações que Einstein ceticamente viu como "ação fantasmagórica em um distância."

Na década de 1960, o físico John Bell calculou um limite teórico além do qual tais correlações devem ter um quantum, ao invés de um clássico, explicação.

Mas e se tais correlações não fossem o resultado de emaranhamento quântico, mas de algum outro escondido, explicação clássica? Esses "e se" são conhecidos pelos físicos como lacunas nos testes de desigualdade de Bell, o mais teimoso deles é a brecha da "liberdade de escolha":a possibilidade de que alguns escondidos, variável clássica pode influenciar a medição que um experimentador escolhe realizar em uma partícula emaranhada, fazendo com que o resultado pareça quanticamente correlacionado quando na verdade não é.

Em fevereiro passado, a equipe do MIT e seus colegas restringiram significativamente a brecha da liberdade de escolha, usando a luz de uma estrela de 600 anos para decidir quais propriedades de dois fótons emaranhados medir. O experimento deles provou que, se um mecanismo clássico causou as correlações que eles observaram, teria que ter sido iniciado há mais de 600 anos, antes que a luz das estrelas fosse emitida pela primeira vez e muito antes que o experimento real fosse sequer concebido.

Agora, em um artigo publicado hoje em Cartas de revisão física , a mesma equipe ampliou amplamente o caso do emaranhamento quântico e restringiu ainda mais as opções para a brecha da liberdade de escolha. Os pesquisadores usaram quasares distantes, um dos quais emitiu sua luz há 7,8 bilhões de anos e o outro 12,2 bilhões de anos atrás, para determinar as medições a serem feitas em pares de fótons emaranhados. Eles encontraram correlações entre mais de 30, 000 pares de fótons, em um grau que excedeu em muito o limite que Bell calculou originalmente para um mecanismo de base clássica.

"Se alguma conspiração está acontecendo para simular a mecânica quântica por um mecanismo que é realmente clássico, esse mecanismo teria que iniciar suas operações - de alguma forma sabendo exatamente quando, Onde, e como esse experimento seria feito - pelo menos 7,8 bilhões de anos atrás. Isso parece incrivelmente implausível, portanto, temos evidências muito fortes de que a mecânica quântica é a explicação certa, "diz o co-autor Alan Guth, o Victor F. Weisskopf Professor de Física no MIT.

"A Terra tem cerca de 4,5 bilhões de anos, portanto, qualquer mecanismo alternativo - diferente da mecânica quântica - que pudesse ter produzido nossos resultados explorando essa lacuna teria que estar em vigor muito antes mesmo de haver um planeta Terra, muito menos um MIT, "acrescenta David Kaiser, o professor Germeshausen de História da Ciência e professor de física no MIT. "Portanto, empurramos quaisquer explicações alternativas de volta para o início da história cósmica."

Os co-autores de Guth e Kaiser incluem Anton Zeilinger e membros de seu grupo na Academia Austríaca de Ciências e na Universidade de Viena, bem como físicos no Harvey Mudd College e na University of California em San Diego.

Uma decisão, feito bilhões de anos atrás

Em 2014, Kaiser e dois membros da equipe atual, Jason Gallicchio e Andrew Friedman, propôs um experimento para produzir fótons emaranhados na Terra - um processo bastante comum em estudos de mecânica quântica. Eles planejaram atirar em cada membro do par emaranhado em direções opostas, em direção aos detectores de luz que também medem cada fóton usando um polarizador. Os pesquisadores iriam medir a polarização, ou orientação, do campo elétrico de cada fóton que chega, definindo o polarizador em vários ângulos e observando se os fótons passaram - um resultado para cada fóton que os pesquisadores puderam comparar para determinar se as partículas mostraram as correlações marcantes previstas pela mecânica quântica.

A equipe adicionou uma etapa única ao experimento proposto, que era usar a luz dos antigos, fontes astronômicas distantes, como estrelas e quasares, para determinar o ângulo no qual definir cada polarizador respectivo. Como cada fóton emaranhado estava em vôo, indo em direção ao seu detector na velocidade da luz, os pesquisadores usariam um telescópio localizado em cada local do detector para medir o comprimento de onda da luz de entrada de um quasar. Se essa luz fosse mais vermelha do que algum comprimento de onda de referência, o polarizador se inclinaria em um determinado ângulo para fazer uma medição específica do fóton emaranhado de entrada - uma escolha de medição que foi determinada pelo quasar. Se a luz do quasar fosse mais azul do que o comprimento de onda de referência, o polarizador se inclinaria em um ângulo diferente, realizar uma medição diferente do fóton emaranhado.

Em seu experimento anterior, a equipe usou pequenos telescópios de quintal para medir a luz das estrelas a até 600 anos-luz de distância. Em seu novo estudo, os pesquisadores usaram muito maiores, telescópios mais poderosos para captar a luz que chega de ainda mais antigos, fontes astrofísicas distantes:quasares cuja luz viajou em direção à Terra por pelo menos 7,8 bilhões de anos - objetos que estão incrivelmente distantes, mas são tão luminosos que sua luz pode ser observada da Terra.

Cronometragem complicada

Em 11 de janeiro, 2018, "o relógio tinha acabado de passar da meia-noite, hora local, "como lembra Kaiser, quando cerca de uma dúzia de membros da equipe se reuniram no topo de uma montanha nas Ilhas Canárias e começaram a coletar dados de dois grandes, Telescópios de 4 metros de largura:o Telescópio William Herschel e o Telescopio Nazionale Galileo, ambos situados na mesma montanha e separados por cerca de um quilômetro.

Um telescópio focado em um quasar específico, enquanto o outro telescópio olhou para outro quasar em um trecho diferente do céu noturno. Enquanto isso, pesquisadores em uma estação localizada entre os dois telescópios criaram pares de fótons emaranhados e partículas irradiadas de cada par em direções opostas em direção a cada telescópio.

Na fração de segundo antes de cada fóton emaranhado atingir seu detector, a instrumentação determinou se um único fóton que chegava do quasar era mais vermelho ou azul, uma medição que então ajustou automaticamente o ângulo de um polarizador que finalmente recebeu e detectou o fóton emaranhado de entrada.

"O momento é muito complicado, "Kaiser diz." Tudo tem que acontecer dentro de janelas muito apertadas, atualizando a cada microssegundo ou assim. "

Desmistificando uma miragem

Os pesquisadores realizaram seu experimento duas vezes, cada um por cerca de 15 minutos e com dois pares diferentes de quasares. Para cada corrida, eles mediram 17, 663 e 12, 420 pares de fótons emaranhados, respectivamente. Poucas horas depois de fechar as cúpulas do telescópio e examinar os dados preliminares, a equipe poderia dizer que havia fortes correlações entre os pares de fótons, além do limite que Bell calculou, indicando que os fótons foram correlacionados de uma maneira mecânica quântica.

Guth conduziu uma análise mais detalhada para calcular a chance, embora leve, que um mecanismo clássico pode ter produzido as correlações que a equipe observou.

Ele calculou isso, para o melhor das duas corridas, a probabilidade de que um mecanismo baseado na física clássica pudesse ter alcançado a correlação observada era de cerca de 10 a menos de 20 - isto é, cerca de uma parte em cem bilhões de bilhões, "escandalosamente pequeno, "Guth diz. Para comparação, os pesquisadores estimaram que a probabilidade de que a descoberta do bóson de Higgs fosse apenas um acaso fortuito é de cerca de um em um bilhão.

"Certamente tornamos inacreditavelmente implausível que uma teoria realista local pudesse estar subjacente à física do universo, "Guth diz.

E ainda, ainda há uma pequena abertura para a brecha da liberdade de escolha. Para limitar ainda mais, a equipe está tendo ideias de olhar ainda mais para trás no tempo, usar fontes como fótons de fundo de micro-ondas cósmicas que foram emitidos como radiação residual imediatamente após o Big Bang, embora tais experimentos apresentem uma série de novos desafios técnicos.

"É divertido pensar em novos tipos de experimentos que podemos projetar no futuro, Mas para agora, estamos muito satisfeitos por termos sido capazes de resolver essa lacuna em particular de forma tão dramática. Nosso experimento com quasares impõe restrições extremamente rígidas em várias alternativas à mecânica quântica. Por mais estranho que a mecânica quântica possa parecer, continua a corresponder a todos os testes experimentais que podemos conceber, "Kaiser diz.

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.