Na década de 1930, quando cientistas, incluindo Albert Einstein e Erwin Schrödinger, descobriram pela primeira vez o fenômeno do emaranhamento, ficaram perplexos. O emaranhamento, perturbadoramente, exigia que duas partículas separadas permanecessem conectadas sem estarem em contato direto. Einstein chamou o emaranhamento de “ação assustadora à distância”, já que as partículas pareciam estar se comunicando mais rápido que a velocidade da luz.
Para explicar as implicações bizarras do emaranhamento, Einstein, junto com Boris Podolsky e Nathan Rosen (EPR), argumentou que "variáveis ​​ocultas" deveriam ser adicionadas à mecânica quântica para explicar o emaranhamento e restaurar "localidade" e "causalidade" ao comportamento das partículas. A localidade afirma que os objetos são influenciados apenas por seus arredores imediatos. A causalidade afirma que um efeito não pode ocorrer antes de sua causa e que a sinalização causal não pode se propagar mais rápido que a velocidade da luz. Niels Bohr contestou o argumento do EPR, enquanto Schrödinger e Wendell Furry, em resposta ao EPR, independentemente levantaram a hipótese de que o emaranhamento desaparece com a separação de partículas largas.

Infelizmente, nenhuma evidência experimental a favor ou contra o emaranhamento quântico de partículas amplamente separadas estava disponível na época. Desde então, experimentos provaram que o emaranhamento é muito real e fundamental para a natureza. Além disso, a mecânica quântica já provou funcionar, não apenas em distâncias muito curtas, mas também em distâncias muito grandes. De fato, o satélite de comunicações criptografado quântico da China, Micius, depende do emaranhamento quântico entre fótons separados por milhares de quilômetros.

O primeiro desses experimentos foi proposto e executado pelo ex-aluno do Caltech John Clauser (BS '64) em 1969 e 1972, respectivamente. Suas descobertas são baseadas no teorema de Bell, elaborado pelo teórico do CERN, John Bell. Em 1964, Bell provou ironicamente que o argumento de EPR na verdade levava à conclusão oposta do que EPR originalmente pretendia mostrar. Bell mostrou que o emaranhamento quântico é, de fato, incompatível com a noção de localidade e causalidade de EPR.

Em 1969, enquanto ainda estudante de pós-graduação na Universidade de Columbia, Clauser, juntamente com Michael Horne, Abner Shimony e Richard Holt, transformaram o teorema matemático de Bell de 1964 em uma previsão experimental muito específica através do que agora é chamado de Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) desigualdade (Seu artigo foi citado mais de 8.500 vezes no Google Scholar.) Em 1972, quando era pesquisador de pós-doutorado na UC Berkeley e no Lawrence Berkeley National Laboratory, Clauser e o estudante de pós-graduação Stuart Freedman foram os primeiros a provar experimentalmente que duas partículas amplamente separadas (cerca de 10 pés de distância) podem ser emaranhadas. Clauser passou a realizar mais três experimentos testando os fundamentos da mecânica quântica e emaranhamento, com cada novo experimento confirmando e ampliando seus resultados. O experimento de Freedman-Clauser foi o primeiro teste da desigualdade CHSH. Já foi testado experimentalmente centenas de vezes em laboratórios de todo o mundo para confirmar que o emaranhamento quântico é real.

O trabalho de Clauser lhe rendeu o Prêmio Wolf de 2010 em física. Ele o compartilhou com Alain Aspect do Institut d' Optique and Ecole Polytechnique e Anton Zeilinger da Universidade de Viena e da Academia Austríaca de Ciências "para uma série cada vez mais sofisticada de testes das desigualdades de Bell, ou suas extensões, usando estados quânticos emaranhados, " de acordo com a citação do prêmio.

Aqui, John Clauser responde a perguntas sobre seus experimentos históricos.

Ouvimos que sua ideia de testar os princípios do emaranhamento não era atraente para outros físicos. Você pode nos contar mais sobre isso?

Nas décadas de 1960 e 1970, os testes experimentais da mecânica quântica eram impopulares em Caltech, Columbia, UC Berkeley e em outros lugares. Meu corpo docente em Columbia me disse que testar a física quântica iria destruir minha carreira. Enquanto eu estava realizando o experimento Freedman-Clauser de 1972 na UC Berkeley, Richard Feynman, do Caltech, ficou muito ofendido com meu esforço impertinente e me disse que era o mesmo que professar uma descrença na física quântica. Ele arrogantemente insistiu que a mecânica quântica está obviamente correta e não precisa de mais testes! Minha recepção na UC Berkeley foi morna na melhor das hipóteses e só foi possível através da gentileza e tolerância dos professores Charlie Townes [Ph.D. '39, Prêmio Nobel '64] e Howard Shugart [BS '53], que me permitiram continuar meus experimentos lá.

Em minha correspondência com John Bell, ele expressou exatamente o sentimento oposto e me encorajou fortemente a fazer um experimento. O trabalho seminal de John Bell em 1964 sobre o teorema de Bell foi originalmente publicado na edição final de um jornal obscuro, Physics , e em um jornal de física clandestino, Cartas Epistemológicas . Não foi até depois que o artigo do CHSH de 1969 e os resultados de 1972 de Freedman– Clauser foram publicados nas Physical Review Letters que John Bell finalmente discutiu abertamente seu trabalho. Ele estava ciente do tabu de questionar os fundamentos da mecânica quântica e nunca havia discutido isso com seus colegas de trabalho do CERN.

O que fez você querer realizar os experimentos?

Parte do motivo pelo qual eu queria testar as ideias era porque ainda estava tentando entendê-las. Achei as previsões de emaranhamento tão bizarras que não pude aceitá-las sem ver provas experimentais. Também reconheci a importância fundamental dos experimentos e simplesmente ignorei os conselhos de carreira do meu corpo docente. Além disso, eu estava me divertindo muito fazendo uma física experimental muito desafiadora com aparelhos que construí principalmente usando sobras do departamento de física. Antes de Stu Freedman e eu fazermos o primeiro experimento, eu também pensei pessoalmente que a física de variáveis ​​ocultas de Einstein poderia estar certa, e se estiver, então eu queria descobri-la. Achei as ideias de Einstein muito claras. Achei o de Bohr meio turvo e difícil de entender.

O que você esperava encontrar quando fez os experimentos?

Na verdade, eu realmente não sabia o que esperar, exceto que finalmente determinaria quem estava certo — Bohr ou Einstein. Confesso que estava apostando a favor de Einstein, mas na verdade não sabia quem ia ganhar. É como ir ao autódromo. Você pode esperar que um certo cavalo vença, mas você realmente não sabe até que os resultados apareçam. Nesse caso, descobriu-se que Einstein estava errado. Na tradição de Richard Feynman e Kip Thorne [BS '62], do Caltech, que fariam apostas científicas, fiz uma aposta com o físico quântico Yakir Aharonov sobre o resultado do experimento Freedman-Clauser. Curiosamente, ele colocou apenas um dólar para os meus dois. Perdi a aposta e anexei uma nota de dois dólares e parabéns quando lhe enviei uma pré-impressão com nossos resultados.

Fiquei muito triste ao ver que meu próprio experimento havia provado que Einstein estava errado. Mas o experimento deu um resultado de 6,3 sigma contra ele [um resultado de cinco sigma ou superior é considerado o padrão-ouro para significância em física]. Mas então o experimento concorrente de Dick Holt e Frank Pipkin em Harvard (nunca publicado) obteve o resultado oposto. Eu me perguntei se talvez eu tivesse esquecido algum detalhe importante. Continuei sozinho na UC Berkeley para realizar mais três testes experimentais de mecânica quântica. Todos chegaram às mesmas conclusões. Bohr estava certo, e Einstein estava errado. O resultado de Harvard não se repetiu e foi falho. Quando me reconectei com meu corpo docente da Columbia, todos eles disseram:"Nós já dissemos! Agora pare de desperdiçar dinheiro e vá fazer física de verdade". Naquele ponto da minha carreira, o único valor do meu trabalho era que ele demonstrava que eu era um físico experimental razoavelmente talentoso. Esse fato por si só me deu um emprego no Lawrence Livermore National Lab fazendo pesquisa de física de plasma de fusão controlada.

Você pode nos ajudar a entender exatamente o que seus experimentos mostraram?

Para esclarecer o que os experimentos mostraram, Mike Horne e eu formulamos o que hoje é conhecido como Realismo Local Clauser-Horne [1974]. Contribuições adicionais para ele foram posteriormente oferecidas por John Bell e Abner Shimony, então talvez seja mais apropriadamente chamado de Realismo Local Bell-Clauser-Horne-Shimony. O realismo local teve vida muito curta como uma teoria viável. De fato, foi refutada experimentalmente antes mesmo de ser totalmente formulada. No entanto, o Realismo Local é heuristicamente importante porque mostra em detalhes o que a mecânica quântica não é.

O Realismo Local assume que a natureza consiste em coisas, objetos objetivamente reais, i. e., coisas que você pode colocar dentro de uma caixa. (Uma caixa aqui é uma superfície imaginária fechada definindo volumes internos e externos separados.) Além disso, assume que os objetos existem quer os observemos ou não. Da mesma forma, supõe-se que resultados experimentais definidos sejam obtidos, quer os examinemos ou não. Podemos não saber o que é a coisa, mas assumimos que ela existe e que está distribuída por todo o espaço. As coisas podem evoluir de forma determinística ou estocástica. O Realismo Local assume que o material dentro de uma caixa tem propriedades intrínsecas, e que quando alguém realiza um experimento dentro da caixa, a probabilidade de qualquer resultado obtido é de alguma forma influenciada pelas propriedades do material dentro daquela caixa. Se alguém realizar, digamos, um experimento diferente com parâmetros experimentais diferentes, presumivelmente um resultado diferente será obtido. Agora suponha que um tenha duas caixas amplamente separadas, cada uma contendo coisas. O Realismo Local assume ainda que a escolha do parâmetro experimental feita em uma caixa não pode afetar o resultado experimental na caixa distante. O realismo local, portanto, proíbe ação assustadora à distância. Ele reforça a causalidade de Einstein que proíbe qualquer causa e efeito não local. Surpreendentemente, essas suposições simples e muito razoáveis ​​são suficientes por si só para permitir a derivação de uma segunda previsão experimental importante limitando a correlação entre os resultados experimentais obtidos nas caixas separadas. Essa previsão é a desigualdade Clauser-Horne (CH) de 1974.

A derivação da desigualdade CHSH de 1969 exigiu várias suposições suplementares menores, às vezes chamadas de "brechas". A derivação da desigualdade CH elimina essas suposições suplementares e, portanto, é mais geral. Existem sistemas quânticos emaranhados que discordam da previsão CH, em que o Realismo Local é passível de refutação experimental. As desigualdades CHSH e CH são violadas, não apenas pelo primeiro experimento de Freedman-Clauser de 1972 e meu segundo experimento de 1976, mas agora por literalmente centenas de experimentos independentes confirmatórios. Vários laboratórios já emaranharam e violaram a desigualdade CHSH com pares de fótons, pares de íons de berílio, pares de íons de itérbio, pares de átomos de rubídio, pares de nuvens inteiras de átomos de rubídio, vacâncias de nitrogênio em diamantes e qubits de fase Josephson.

Testar o realismo local e a desigualdade do CH foi considerado por muitos pesquisadores como importante para eliminar as lacunas do CHSH. Um esforço considerável foi assim organizado, à medida que a tecnologia de óptica quântica melhorou e permitiu. Testar a desigualdade CH tornou-se um desafio sagrado para os experimentalistas. A violação da desigualdade CH foi finalmente alcançada primeiro em 2013 e novamente em 2015 em dois laboratórios concorrentes:o grupo de Anton Zeilinger na Universidade de Viena e o grupo de Paul Kwiat na Universidade de Illinois em Urbana–Champaign. Os experimentos de 2015 envolveram 56 pesquisadores! O Realismo Local está agora profundamente refutado! O acordo entre os experimentos e a mecânica quântica agora prova firmemente que o emaranhamento quântico não local é real.

Quais são algumas das aplicações tecnológicas importantes do seu trabalho?

Uma aplicação do meu trabalho é para o objeto mais simples possível definido pelo Realismo Local – um único bit de informação. O realismo local mostra que um único bit de informação da mecânica quântica, um "qubit", nem sempre pode ser localizado em uma caixa de espaço-tempo. Este fato fornece a base fundamental da teoria da informação quântica e da criptografia quântica. O programa de ciência e tecnologia quântica da Caltech, a Iniciativa Nacional Quântica de US$ 1,28 bilhão dos EUA de 2019 e a Iniciativa Nacional Quântica de US$ 400 milhões de Israel de 2019 dependem da realidade do emaranhamento. A configuração do sistema de satélite de comunicações criptografado quântico chinês Micius é quase idêntica à do experimento Freedman-Clauser. Ele usa a desigualdade CHSH para verificar a persistência do emaranhamento através do espaço sideral. + Explorar mais

Pesquisadores demonstraram violação da desigualdade de Bell em pares de fótons emaranhados de bin de frequência