Físicos realizam o teste mais massivo de todos os tempos do paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen: WebCuriosos

No teste mais massivo até agora, os físicos investigaram um grande paradoxo na mecânica quântica e descobriram que ele ainda se aplica a nuvens de centenas de átomos.

Usando dois condensados ​​de Bose-Einstein emaranhados, cada um composto por 700 átomos, uma equipe de físicos co-liderada por Paolo Colciaghi e Yifan Li, da Universidade de Basileia, na Suíça, mostrou que o Paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) aumenta.

Os pesquisadores dizem que isso tem implicações importantes para a metrologia quântica – o estudo da medição de coisas sob a teoria quântica.

“Nossos resultados representam a primeira observação do paradoxo EPR com sistemas massivos de muitas partículas espacialmente separados,” os pesquisadores escrevem em seu artigo.

“Eles mostram que o conflito entre a mecânica quântica e o realismo local não desaparece à medida que o tamanho do sistema aumenta para mais de mil partículas massivas”.

Embora sejamos muito bons em descrever matematicamente o Universo, nossa compreensão de como as coisas funcionam é, na melhor das hipóteses, irregular.

Uma das ferramentas que usamos para preencher uma das lacunas é a mecânica quântica, uma teoria que surgiu no início do século XX, defendido pelo físico Niels Bohrpara descrever como a matéria atômica e subatômica se comporta. Neste pequeno reino, a física clássica entra em colapso; quando as regras antigas já não se aplicam, devem ser criadas novas regras.

Mas a mecânica quântica tem suas falhas e, em 1935, três físicos famosos encontraram uma lacuna significativa. Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen descreveram o famoso paradoxo Einstein-Podolsky-Rosen.

Nada pode viajar mais rápido que a luz, certo? Mas fica um pouco complicado com o emaranhado quântico, o que Einstein chamou de “ação assustadora à distância”. É aqui que você correlaciona duas (ou mais) partículas para que suas propriedades sejam vinculadas; se uma partícula, por exemplo, gira para um lado, a outra gira para o outro lado.

Estas partículas mantêm esta ligação mesmo a grandes distâncias e não está claro como ou porquê. Os cientistas sabem que se medirmos as propriedades de uma partícula, podemos inferir as propriedades da outra, mesmo a essa distância.

No entanto, sob a mecânica quântica, a partícula não terá essas propriedades até que seja medida (uma peculiaridade explorada pelo experimento mental do gato de Schrödinger).

E, na mecânica quântica, se conhecemos uma propriedade de uma partícula, como a sua posição, não podemos conhecer outra, como o seu momento, com qualquer certeza. Este é o princípio da incerteza de Heisenberg.

O conceito da física clássica de realismo local também afirma que para um objeto ou energia afetar outro, os dois precisam interagir.

O paradoxo EPR, portanto, é complexo. Quando você mede uma partícula em um sistema emaranhado, essa medição influencia de alguma forma a outra partícula, mesmo que a medição não ocorra localmente.

Você também sabe mais sobre as partículas do que o permitido pelo princípio da incerteza de Heisenberg. E de alguma forma, essa influência acontece instantaneamente, desafiando a velocidade da luz.

O paradoxo EPR, portanto, sugere que a teoria da mecânica quântica está incompleta; ele não descreve completamente a realidade do Universo em que vivemos. Os físicos o testaram principalmente em pequenos sistemas emaranhados, consistindo apenas de um par de átomos ou fótons, muitas vezes, no que é conhecido como teste de Bell (em homenagem ao seu criador, o físico John Stewart Bell).

Até agora, todos os testes de Bell realizados revelaram que o mundo real se comporta de uma forma inconsistente com o realismo local. Mas até que ponto vai o paradoxo?

Bem, é aqui que chegamos aos condensados ​​de Bose-Einstein, um estado da matéria criado pelo resfriamento de uma nuvem de bósons a apenas uma fração acima do zero absoluto. A temperaturas tão baixas, os átomos descem para o estado de energia mais baixo possível sem parar completamente.

Quando atingem essas energias baixas, as propriedades quânticas das partículas não podem mais interferir umas nas outras; eles se aproximam o suficiente um do outro para se sobreporem, resultando em uma nuvem de átomos de alta densidade que se comporta como um 'superátomo' ou onda de matéria.

Colciaghi, Li e seus colegas físicos Philipp Treutlein e Tilman Zibold, também da Universidade de Basileia, geraram dois condensados ​​de Bose-Einstein usando duas nuvens, cada uma composta por 700 átomos de rubídio-87. Eles separaram esses condensados ​​espacialmente em até 100 micrômetros e mediram as propriedades.

Eles mediram as propriedades quânticas dos condensados ​​conhecidos como pseudospins, escolhendo independentemente qual valor medir para cada nuvem.

Eles descobriram que as propriedades dos dois condensados ​​pareciam estar correlacionadas de uma forma que não poderia ser atribuída ao acaso, demonstrando que o paradoxo EPR se mantinha firme em uma escala muito maior do que os testes anteriores de Bell.

As implicações das descobertas da equipe são amplamente relevantes para futuras pesquisas quânticas.

“Nosso experimento é particularmente adequado para aplicações de metrologia quântica. Pode-se, por exemplo, usar um dos dois sistemas como um pequeno sensor para sondar campos e forças com alta resolução espacial e o outro como referência para reduzir o ruído quântico do primeiro sistema”, os pesquisadores escrevem em seu artigo.

“A demonstração do emaranhamento EPR em conjunto com a separação espacial e a capacidade de endereçamento individual dos sistemas envolvidos é, portanto, não apenas significativa de um ponto de vista fundamental, mas também fornece os ingredientes necessários para explorar o emaranhamento EPR em sistemas de muitas partículas como um recurso.”

Agora vá tomar uma boa xícara de chá e sentar-se. Você mereceu.

A pesquisa foi publicada em Revisão Física X.