Em um novo estudo, pesquisadores demonstram táticas criativas para se livrar de lacunas que há muito confundem os testes da mecânica quântica. Com seu método inovador, os pesquisadores foram capazes de demonstrar interações quânticas entre duas partículas espaçadas mais de 180 metros (590 pés), eliminando a possibilidade de que eventos compartilhados durante os últimos 11 anos afetaram sua interação.

Um artigo explicando esses resultados será apresentado na conferência Frontiers in Optics + Laser Science (FIO + LS), realizada de 15 a 19 de setembro em Washington, D.C., EUA.

Fenômenos quânticos estão sendo explorados para aplicações em computação, criptografia, detecção e muito mais, mas os pesquisadores ainda não entendem completamente a física por trás deles. O novo trabalho pode ajudar no avanço das aplicações quânticas, melhorando as técnicas de sondagem da mecânica quântica.

Um teste para teorias quânticas

Os físicos há muito lutam com diferentes ideias sobre as forças que governam nosso mundo. Embora as teorias da mecânica quântica tenham gradualmente superado a mecânica clássica, muitos aspectos da mecânica quântica permanecem misteriosos. Na década de 1960, o físico John Bell propôs uma maneira de testar a mecânica quântica conhecida como desigualdade de Bell.

A ideia é que duas partes, apelidado de Alice e Bob, faça medições em partículas que estão localizadas distantes, mas conectadas umas às outras por meio do emaranhamento quântico.

Se o mundo fosse realmente governado exclusivamente pela mecânica quântica, essas partículas remotas seriam governadas por uma correlação não local por meio de interações quânticas, de forma que medir o estado de uma partícula afeta o estado da outra. Contudo, algumas teorias alternativas sugerem que as partículas só parecem afetar umas às outras, mas que na realidade eles estão conectados por outras variáveis ​​ocultas seguindo o clássico, ao invés de quantum, física.

Os pesquisadores realizaram muitos experimentos para testar a desigualdade de Bell. Contudo, experimentos nem sempre podem ser perfeitos, e existem lacunas conhecidas que podem causar resultados enganosos. Embora a maioria dos experimentos tenha apoiado fortemente a conclusão de que existem interações quânticas, essas lacunas ainda deixam uma possibilidade remota de que os pesquisadores possam estar afetando inadvertidamente variáveis ​​ocultas, deixando assim margem para dúvidas.

Fechando brechas

No novo estudo, Li e seus colegas demonstram maneiras de fechar essas lacunas e adicionar evidências de que a mecânica quântica governa as interações entre as duas partículas.

"Realizamos um teste de Bell sem lacunas com as configurações de medição determinadas por fótons cósmicos remotos. Assim, verificamos a integridade da mecânica quântica com probabilidade de alta confiança, "disse Ming-Han Li, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, quem é o autor principal do artigo.

Sua configuração experimental inclui três componentes principais:um dispositivo que envia periodicamente pares de fótons emaranhados e duas estações que medem os fótons. Essas estações são Alice e Bob, na linguagem da desigualdade de Bell. A primeira estação de medição está a 93 metros (305 pés) da fonte do par de fótons e a segunda estação está a 90 metros (295 pés) de distância na direção oposta.

Os fótons emaranhados viajam através de fibra óptica monomodo para as estações de medição, onde seu estado de polarização é medido com uma célula de Pockels e os fótons são detectados por detectores de fóton único nanofio supercondutor.

Ao projetar seu experimento, os pesquisadores procuraram superar três problemas principais:a ideia de que a perda e o ruído tornam a detecção não confiável (a brecha de detecção), a ideia de que qualquer comunicação que afete as escolhas de medição de Alice e Bob torna a medição enganável (a lacuna de localidade), e a ideia de que uma escolha de definição de medição que não é "verdadeiramente livre e aleatória" torna o resultado capaz de ser controlado por uma causa oculta no passado comum (a brecha da liberdade de escolha).

Para resolver o primeiro problema, Li e seus colegas demonstraram que sua configuração alcançou um nível suficientemente baixo de perda e ruído comparando as medições feitas no início e no final da jornada do fóton. Para abordar o segundo, eles construíram a configuração experimental com separação semelhante a um espaço entre os eventos de escolha de configuração de medição. Para abordar o terceiro, eles basearam suas escolhas de configuração de medição no comportamento do fóton cósmico de 11 anos antes, que oferece alta confiança de que nada no passado compartilhado das partículas - pelo menos nos últimos 11 anos - criou uma variável oculta afetando o resultado.

Combinando previsões teoricamente calculadas com resultados experimentais, os pesquisadores foram capazes de demonstrar as interações quânticas entre os pares de fótons emaranhados com um alto grau de confiança e fidelidade. Seu experimento, portanto, fornece evidências robustas de que os efeitos quânticos, em vez de variáveis ​​ocultas, estão por trás do comportamento das partículas.