Ótica Quântica: a realidade é o que você escolhe

Revista Science: Experimento quântico confirma que nós criamos a realidade

Artigo publicado na Revista Science, traduzido por Cristiano Nascimento*

Para testar a teoria quântica, os físicos usaram o Observatório de Laser Variável, localizado em Matera, no sul da Itália.

"Uma estranha experiência espacial confirmou que, como diz a mecânica quântica, a realidade é o que você escolhe. Os físicos sabem há muito tempo que um quantum de luz, ou fóton, se comporta como uma partícula ou uma onda dependendo de como eles a medem. Agora, ao invadir os fótons dos satélites, uma equipe confirmou que um observador pode tomar essa decisão, mesmo depois de um fóton ter feito seu caminho quase completamente através da experiência - aparentemente bem depois do ponto em que se tornaria uma onda ou uma partícula. Essas experiências de escolha retardada podem algum dia investigar a fronteira difusa entre a teoria quântica e a relatividade, dizem os pesquisadores.

Outros pesquisadores demonstraram o mesmo efeito contra-intuitivo no laboratório. Mas o novo trabalho mostra que a natureza de um fóton permanece indefinida até milhares de quilômetros, diz Philippe Grangier, físico do Instituto de Ótica de Palaiseau, na França, que colaborou em um teste anterior. "É uma experiência muito agradável que demonstra sua capacidade de fazer física quântica no espaço".

Um fóton pode atuar como uma partícula semelhante a uma bala ou onda ondulada - mas não ambas de uma vez - dependendo de como os experimentadores decidem medir. No final da década de 1970, o famoso teórico John Archibald Wheeler percebeu que os experimentadores poderiam até atrasar a escolha até o fóton ter feito seu caminho quase completamente através de um aparelho configurado para enfatizar uma propriedade ou outra, provando que o comportamento do fóton não é predeterminado.

Wheeler imaginou o envio de fótons um a cada vez através do chamado interferômetro Mach-Zehnder, o que acentua a natureza da onda da luz. Usando um "divisor de feixe" semelhante ao espelho, o interferômetro divide a onda quântica do fóton entrando pela metade e envia as duas ondas ao longo de caminhos diferentes, como pessoas caminhando em caminhos opostos ao redor do bloco. Um segundo divisor de feixe então recombina as ondas, que interferem entre si para derivar o fóton em direção a um dos dois detectores. O detector acionado depende da diferença nos comprimentos dos dois caminhos, conforme esperado para as ondas interferentes.

Remova o segundo divisor de feixe e a interferência torna-se impossível. Em vez disso, o primeiro divisor de feixe envia o fóton para baixo de um caminho ou o outro, como uma partícula. À medida que os caminhos cruzam onde o segundo divisor de feixe teria sido, os detectores clicam com iguais probabilidades, independentemente dos comprimentos dos caminhos. Wheeler percebeu que os experimentadores poderiam até esperar para remover o segundo divisor de feixe até que o fóton tivesse passado o primeiro divisor de feixe. Essa afirmação sugere, estranhamente, que uma decisão no presente determina um evento no passado: se o fóton se separou como uma onda ou tomou um caminho como uma partícula. A teoria quântica evita a questão assumindo que, até a medição, o fóton permanece tanto uma partícula como uma onda.

Agora, uma equipe liderada por Francesco Vedovato e Paolo Villoresi, da Universidade de Pádua, na Itália, realizou uma versão do experimento usando o telescópio de 1,5 metros no Matera Ranging Observatory, no sul da Itália para enviar fótons para satélites a milhares de quilômetros de distância. A tais distâncias, os físicos não conseguem fazer a luz tomar dois caminhos paralelos, observa Villoresi, à medida que os feixes de propagação se sobrepõem e se fundem. Em vez disso, eles enviam um fóton através de um interferômetro Mach-Zehnder na Terra que tem caminhos de comprimentos muito diferentes. A diferença nos comprimentos do caminho divide o pulso único em dois, separados no tempo por 3.5 nanosegundos, que o telescópio dispara para o céu.

Uma vez que os pulsos retornam, os experimentadores fazem que entrem de volta através do interferômetro. O aparelho pode desfazer o deslocamento do tempo, de modo que os dois impulsos se sobreponham e interfiram como ondas ou o dobrem para que não seja possível interferência. Claro, os físicos devem escolher o que acontece. Quando os pulsos primeiro deixam o interferômetro, eles têm polarizações diferentes. Para desfazer o deslocamento do tempo, os físicos devem primeiro usar uma polarização eletrônica muito rápida para mudar sua polarização de uma certa maneira. Para duplicar a mudança de tempo, eles simplesmente eles não mexem nas polarizações.

Quando os experimentadores fazem com que os pulsos se sobreponham, o fóton dispara um detector ou outro com uma probabilidade que depende da velocidade de recessão do satélite, conforme esperado para as ondas interferentes. Quando os pulsos não podem interferir, o fóton, como uma partícula, acaba em qualquer detector com uma probabilidade de 50-50, independentemente da velocidade do satélite. Crucialmente, os físicos escolhem qual medida fazer depois que a luz atravessa o satélite no meio de sua viagem de ida e volta de 10 milésimos de segundo, eles relataram no 25 de outubro na Science Advances. Mais uma vez, a decisão adiada parece voltar atrás no tempo, definindo como o fóton se comportou depois que deixou o primeiro divisor de feixe.

O experimento não é o teste mais rigoroso da idéia de Wheeler, observa Jean-François Roch, físico da École Normale Supérieure em Paris, que em 2007 conduziu um teste mais fiel. Por exemplo, para ver a luz em todas as distâncias tão longas, Villoresi e colegas devem disparar pulsos contendo muitos fótons, em vez dos fótons individuais especificados pela Wheeler. Ainda assim, Roch diz que o experimento é um exemplo notável de tirar a "ótica quântica" do laboratório e enviar ao espaço. Em maio, físicos na China usaram um satélite para estabelecer uma estranha conexão quântica chamada emaranhamento entre dois fótons enviados para cidades amplamente separadas.

Experimentos de escolha atrasada poderiam ajudar a investigar a fronteira entre a relatividade - o que exige que a causa preceda o efeito - e a teoria quântica, diz Roch. Mesmo que, estritamente falando, o efeito não viole a causalidade, ele ainda levanta uma tensão ao sugerir que uma medida no presente forma o que pode ser inferido sobre o passado. "Esta área onde você mistura mecânica quântica e relatividade ainda é relativamente inexplorada", diz Roch, "e esse é o tipo de experiência que aumentou a possibilidade de investigar a ligação entre os dois."

Fonte: *Ciência Repensada (reprodução)

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