O emaranhamento quântico destrói a causalidade local de Einstein: o futuro da computação e da criptografia

Por ETH Zurich11 de maio de 2023

Os pesquisadores da ETH Zurich realizaram um teste de Bell sem brechas com circuitos supercondutores, confirmando a mecânica quântica e refutando o conceito de causalidade local de Einstein. As descobertas abrem possibilidades na computação quântica distribuída e na criptografia quântica.

Os pesquisadores da ETH Zurich conseguiram demonstrar que objetos mecânicos quânticos distantes podem ser muito mais fortemente correlacionados entre si do que é possível em sistemas convencionais. Para esta experiência, eles usaram circuitos supercondutores pela primeira vez.

Seção parcial da conexão quântica de 30 metros de comprimento entre dois circuitos supercondutores. O tubo de vácuo (centro) contém um guia de onda de micro-ondas que é resfriado a cerca de –273°C e conecta os dois circuitos quânticos. Crédito: ETH Zurich / Daniel Winkler

Um grupo de pesquisadores liderados por Andreas Wallraff, professor de Física do Estado Sólido na ETH Zurich, realizou um teste de Bell sem brechas para refutar o conceito de "causalidade local" formulado por Albert Einstein em resposta à mecânica quântica. Ao mostrar que objetos mecânicos quânticos distantes podem ser muito mais fortemente correlacionados entre si do que é possível em sistemas convencionais, os pesquisadores forneceram mais uma confirmação para a mecânica quântica. O que há de especial nesse experimento é que os pesquisadores conseguiram pela primeira vez realizá-lo usando circuitos supercondutores, considerados candidatos promissores para a construção de poderosos computadores quânticos.

Um teste de Bell é baseado em uma configuração experimental que foi inicialmente concebida como um experimento mental pelo físico britânico John Bell na década de 1960. Bell queria resolver uma questão que os grandes da física já haviam discutido na década de 1930: as previsões da mecânica quântica, que vão totalmente contra a intuição cotidiana, estão corretas ou os conceitos convencionais de causalidade também se aplicam ao microcosmo atômico? como Albert Einstein acreditava?

Para responder a essa pergunta, Bell propôs realizar uma medição aleatória em duas partículas emaranhadas ao mesmo tempo e compará-la com a desigualdade de Bell. Se o conceito de causalidade local de Einstein for verdadeiro, esses experimentos sempre satisfarão a desigualdade de Bell. Em contraste, a mecânica quântica prevê que eles irão violá-la.

Uma visão dentro de uma seção da conexão quântica de 30 metros de comprimento. Um guia de onda de alumínio (centro), resfriado a quase zero absoluto, conecta os dois circuitos quânticos. Várias camadas de blindagem de cobre protegem o condutor da radiação térmica. Crédito: ETH Zurich / Daniel Winkler

No início dos anos 1970, John Francis Clauser, que recebeu o Prêmio Nobel de Física no ano passado, e Stuart Freedman realizaram o primeiro teste prático de Bell. Em seus experimentos, os dois pesquisadores conseguiram provar que a desigualdade de Bell é de fato violada. Mas eles tiveram que fazer certas suposições em seus experimentos para poder conduzi-los em primeiro lugar. Então, teoricamente, ainda pode ter acontecido que Einstein estava correto em ser cético em relação à mecânica quântica.

Com o tempo, no entanto, mais e mais dessas brechas poderiam ser fechadas. Finalmente, em 2015, vários grupos conseguiram realizar os primeiros testes de Bell verdadeiramente livres de brechas, resolvendo finalmente a velha disputa.

Os pesquisadores desenvolveram seu próprio criostato para resfriar a conexão quântica de 30 metros de comprimento com eficiência. Isso é instalado no meio do link quântico. Crédito: ETH Zurich / Daniel Winkler

O grupo de Wallraff agora pode confirmar esses resultados com um novo experimento. O trabalho dos pesquisadores do ETH publicado na renomada revista científica Nature mostra que as pesquisas sobre o tema não estão concluídas, apesar da confirmação inicial há sete anos. Há várias razões para isso. Por um lado, o experimento dos pesquisadores do ETH confirma que os circuitos supercondutores também operam de acordo com as leis da mecânica quântica, embora sejam muito maiores do que objetos quânticos microscópicos, como fótons ou íons. Os circuitos eletrônicos do tamanho de várias centenas de micrômetros feitos de materiais supercondutores e operados em frequências de micro-ondas são chamados de objetos quânticos macroscópicos.