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A identidade das partículas implica seu emaranhamento, que também pode ser observado na forma pura, sem interação. Crédito: Shutter2U / Vecteezy
O que é interação e quando ocorre? A intuição sugere que a condição necessária para a interação de partículas criadas independentemente é o contato ou contato direto através de portadores de força física. Na mecânica quântica, o resultado da interação é o entrelaçamento - o aparecimento de correlações não clássicas no sistema. Parece que a teoria quântica permite o emaranhamento de partículas independentes sem nenhum contato. A identidade fundamental de partículas do mesmo tipo é responsável por esse fenômeno.
atualmente a teoria melhor e mais precisa usada pelos físicos para descrever o mundo ao nosso redor. Sua característica é, no entanto, a linguagem matemática abstrata da mecânica quântica, notoriamente levando a sérios problemas de interpretação. A visão da realidade proposta por essa teoria ainda é objeto de disputa científica que, com o tempo, está se tornando cada vez mais quente e interessante. Novas motivações para a pesquisa e perguntas intrigantes são trazidas por uma nova perspectiva resultante do ponto de vista da informação quântica e do enorme progresso das técnicas experimentais. Isso permite a verificação das conclusões tiradas de experimentos sutis de pensamento diretamente relacionados ao problema de interpretação. Além disso, os pesquisadores estão agora fazendo um enorme progresso no campo da comunicação quântica e da tecnologia quântica de computadores, que se baseiam significativamente nos recursos não clássicos oferecidos pela mecânica quântica.
Pawel Blasiak, do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências em Cracóvia, e Marcin Markiewicz, da Universidade de Gdansk, concentram-se na análise de paradigmas e conceitos teóricos amplamente aceitos sobre o básico e a interpretação da mecânica quântica. Os pesquisadores estão tentando determinar em que medida as intuições usadas para descrever processos da mecânica quântica são justificadas em uma visão realista do mundo. Para esse fim, tentam esclarecer idéias teóricas específicas, muitas vezes funcionando na forma de intuições vagas, usando a linguagem da matemática. Essa abordagem geralmente resulta no aparecimento de paradoxos inspiradores. Obviamente, quanto mais básico o conceito ao qual um dado paradoxo se relacionar, melhor, porque ele abre novas portas para uma compreensão mais profunda de um determinado problema.
Nesse espírito, os dois cientistas consideraram a questão fundamental: o que é interação e quando ocorre? Na mecânica quântica, o resultado da interação é o entrelaçamento, que é o aparecimento de correlações não clássicas no sistema. Imagine duas partículas criadas independentemente em galáxias distantes. Parece que uma condição necessária para o surgimento de emaranhamento é a exigência de que, em algum momento de sua evolução, as partículas se toquem, ou pelo menos que o contato indireto deva ocorrer através de outra partícula ou campo físico para transmitir a interação. De que outra forma eles podem estabelecer o vínculo misterioso do entrelaçamento quântico? Paradoxalmente, porém, acontece que isso é possível. A mecânica quântica permite que o emaranhamento ocorra sem a necessidade de qualquer contato, mesmo que indireto.
Justificar uma conclusão tão surpreendente requer um esquema no qual as partículas mostrem correlações não locais à distância (em um experimento do tipo Bell). A sutileza dessa abordagem é excluir a possibilidade de uma interação entendida como alguma forma de contato ao longo do caminho. Esse esquema também deve ser econômico, portanto deve excluir a presença de portadores de força que possam mediar essa interação, incluindo um campo físico ou partículas intermediárias. Blasiak e Markiewicz mostraram como isso pode ser feito partindo das considerações originais de Yurke e Stoler, que eles reinterpretaram como uma permutação de caminhos percorridos pelas partículas de diferentes fontes. Essa nova perspectiva permite a geração de estados emaranhados de duas e três partículas, evitando qualquer contato.
Como é possível emaranhar partículas independentes à distância sem a interação delas? Uma dica é sugerida pela própria mecânica quântica, na qual a identidade - a indistinguibilidade fundamental de todas as partículas do mesmo tipo - é postulada. Isso significa, por exemplo, que todos os fótons (assim como outras famílias de partículas elementares) em todo o universo são iguais, independentemente da distância. De uma perspectiva formal, isso se resume à simetrização da função de onda para bósons ou à sua antissimetrização para férmions.
Os efeitos da identidade das partículas são geralmente associados às suas estatísticas, com consequências para uma descrição dos sistemas de múltiplas partículas em interação (como os condensados de Bose-Einstein ou a teoria da banda de estado sólido). No caso de sistemas mais simples, o resultado direto da identidade de partículas é o princípio de exclusão de Pauli para férmions ou agrupamento em óptica quântica para bósons. A característica comum de todos esses efeitos é o contato de partículas em um ponto no espaço, que segue a simples intuição da interação (por exemplo, na teoria das partículas, isso se resume aos vértices da interação). Daí a crença de que as conseqüências da simetrização só podem ser observadas dessa maneira. No entanto, a interação por sua própria natureza causa emaranhamento. Portanto, não está claro o que causa os efeitos observados e as correlações não clássicas: É uma interação em si mesma, ou é a indistinguibilidade inerente das partículas? O esquema proposto pelos cientistas contorna essa dificuldade, eliminando a interação que poderia ocorrer através de qualquer contato. Daí a conclusão de que correlações não clássicas são uma conseqüência direta do postulado da identidade das partículas. Segue-se que existe uma maneira de ativar o entrelaçamento puramente de sua indistinguibilidade fundamental.
Esse tipo de visão, partindo de perguntas sobre os conceitos básicos da mecânica quântica, pode ser praticamente aplicado para gerar estados emaranhados para tecnologias quânticas. O artigo mostra como criar qualquer estado emaranhado de dois e três qubits, e essas idéias já foram implementadas experimentalmente. Parece que os esquemas considerados podem ser estendidos com sucesso para criar quaisquer estados de muitas partículas emaranhadas. Como parte de outras pesquisas, os cientistas pretendem analisar em detalhes o postulado de partículas idênticas, tanto do ponto de vista da interpretação teórica quanto de aplicações práticas.
Surpreendentemente, o postulado da indistinguibilidade das partículas não é apenas um procedimento matemático formal, mas em sua forma pura, leva às conseqüências observadas nos laboratórios. A não-localidade é inerente a todas as partículas idênticas no universo? O fóton emitido pela tela do monitor e o fóton da galáxia distante nas profundezas do universo parecem estar enredados apenas por sua natureza idêntica. Este é um grande mistério que a ciência enfrentará em breve.
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Informações da revista: Relatórios Científicos
Mais informações: Pawel Blasiak et al, Enredando três qubits sem nunca tocar, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038 / s41598-019-55137-3
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
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Space Administration) e ESA (European Space Agency).
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Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
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