Einstein odiava emaranhamento – e cinco outros mitos quânticos

A mecânica quântica é inquestionavelmente uma teoria robusta e bem -sucedida – até agora, todas as suas previsões mantiveram e os cientistas podem construir tecnologias poderosas com base nela. No entanto, entender o que isso nos diz sobre a natureza da realidade e como experimentamos se mostrou complicado. Fisicistas e filósofos estão enfrentando por um século, resolvendo algumas das primeiras ambiguidades, mas ainda permanecem alguns problemas conceituais. E a natureza não intuitiva da física quântica o torna um terreno fértil para mal-entendidos. Aqui, seis físicos exploram as origens de mitos generalizados sobre história, teoria e aplicações quânticas.

Maria Violaris: A física quântica tornou possível a viagem no tempo?

Se você acompanha os anúncios da ciência quântica nos últimos anos, pode pensar que os experimentos conseguiram enviar partículas quânticas de volta no tempo. Mas, apesar das intrigantes propostas teóricas e estudos experimentais, que ainda não foram alcançados (ainda).

A idéia depende da exploração de ‘loops de tempo’ quânticos-reviravoltas hipotéticas no espaço-tempo que permitem que uma partícula, ou qualquer outra coisa, saia do loop em um período anterior do que quando entrou. Esses loops poderiam existir no universo, por exemplo, através de túneis no tecido do espaço-tempo.

Um século de física quântica

As propostas recentes foram baseadas no teletransporte quântico de qubits, no qual o estado de um qubit é transportado de um local para outro, sem se mover fisicamente entre eles. Isso pode ser feito usando um par de qubits emaranhado, um em cada local.

No entanto, para evitar violar os princípios fundamentais, como nenhuma comunicação mais rápida do que a luz, o teletransporte quântico pode ser bem-sucedido no máximo um quarto do tempo. Para o restante, o receptor precisa corrigir seu qubit teletransportado usando informações do remetente. Mas os pesquisadores estão analisando uma abordagem alternativa, na qual descartam esses casos fracassados, mantendo apenas o bem-sucedido um quarto.

Esta versão seletiva do teletransporte foi proposta como um modelo para um universo quântico que permite a viagem no tempo. Esse universo poderia ter leis da física que descartam automaticamente qualquer resultado paradoxal decorrente de algo que muda o passado. Seguindo um protocolo semelhante, mas descartando manualmente certos resultados de medição, os pesquisadores alcançaram uma vantagem quântica no campo da metrologia (a ciência de fazer medições precisas).

Os resultados experimentais parecem idênticos aos que viriam de um loop em tempo real, mas o comportamento foi projetado a partir de emaranhamento quântico. Então, ninguém realmente enviou uma partícula para o passado ainda. Mas a teoria geral da relatividade permite a viagem no tempo – e os modelos quânticos fornecem maneiras promissoras de resolver seus paradoxos. A mecânica quântica ainda poderia possibilitar a viagem no tempo – mas eu precisaria ler um artigo enviado de volta do futuro para ter certeza.

Estelle Inack: Os computadores quânticos podem garantir cálculos mais rápidos?

A promessa de computadores quânticos e suas habilidades para resolver uma série de problemas computacionais intensivos – de como o comportamento quântico dos elétrons afeta as reações químicas à otimização de rotas na logística – estimulou uma indústria em expansão que está atraindo bilhões de dólares em dinheiro dos investidores. À medida que a emoção cresceu, o mesmo acontece com o mal -entendido sobre como os computadores quânticos funcionam, por que eles são potencialmente tão poderosos e rápidos em fazer cálculos e quais podem ser suas limitações. Uma coisa é ter um computador quântico, mas outra para extrair a resposta certa para um cálculo complexo dele. E isso não simplesmente acelerará todos os aplicativos existentes – não é provável que precisemos de ‘palavra quântica’ ou ‘zoom quântico’. Em vez disso, são ferramentas promissoras para explorar sistemas muito complexos.

Diz -se que os dispositivos quânticos oferecem energia e velocidade, dependendo de bits quânticos (qubits) que são 0 e 1 ao mesmo tempo; Por outro lado, os bits clássicos são 0 ou 1. Isso é enganoso. O que acontece é que existe um qubit em uma superposição de 0 e 1 estados clássicos. E cada vez que uma medição é realizada, ela tem uma probabilidade de ser medida como 0 ou 1.

O universo poderia ser um computador quântico gigante?

Ao montar muitos qubits, digamos N deles, para formar um computador quântico, sua superposição quântica abrange o mesmo espaço matemático que 2^N bits clássicos; Isso geralmente é chamado de paralelismo quântico com aceleração exponencial. Quando um cálculo quântico é realizado, o sistema gera um único estado daqueles 2^N possíveis.

O cálculo deve ser repetido muitas vezes (embora menos de 2^N tempos, o que seria impossível quando N é grande) para construir uma imagem probabilística do sistema: o resultado com a maior probabilidade fornece a resposta correta. Essa sobrecarga pode reduzir as vantagens dos computadores quânticos em relação aos computadores clássicos. Os algoritmos que aumentam a probabilidade de obter os resultados corretos (provavelmente) de cada cálculo são cruciais.

Outra limitação dos computadores quânticos é que os estados quânticos são muito frágeis e precisam ser protegidos das interações com seu ambiente, o que pode interromper -os. Os pesquisadores estão explorando maneiras inteligentes de fazer isso através de algoritmos de mitigação de erros.

Assim, os computadores quânticos são de fato máquinas poderosas que dependem da superposição quântica e do paralelismo – mas também são necessárias inovações em algoritmos, hardware e software para aproveitar todo o seu potencial.

Sabine Hossenfelder: Einstein rejeitou a idéia de emaranhamento?

Você deve ter ouvido falar que o que Albert Einstein chamou de ‘ação assustadora à distância’ é tecnicamente conhecida como ‘emaranhamento’ e que ele insistia que não poderia existir. Nem é verdade.

A citação de ‘ação assustadora’ é uma tradução direta da frase alemã Spukhafte Fernwirkungque Einstein escreveu em uma carta de 1947 ao colega físico Max Born. Ele estava se referindo a uma idéia que o intrigou há muito tempo – como interpretar o processo de medição na mecânica quântica, que ele havia descrito anteriormente como dependendo de um “mecanismo de ação peculiar à distância” (G. Bacciagaluppi e A. Valentini pré -impressão em arxivs https://////p2ns; 2006).

Matematicamente, o processo de medição na mecânica quântica é instantâneo. Digamos que você deseja medir a posição de uma partícula. Antes de fazer isso, as equações permitem que a partícula esteja em vários lugares ao mesmo tempo. Observe ou meça, no entanto, e de repente está em apenas um lugar.

Não acredite no hype-a tecnologia quântica ainda não pode resolver problemas do mundo real

Aparentemente, essa questão da realidade se materializa de repente da incerteza quando você a observa é conhecida como problema de medição. A atualização acontece mais rápido que a luz, aparentemente violando a teoria especial de Relatividade de Einstein, que diz que nenhum sinal pode exceder a velocidade da luz. Claro, Einstein não gostou. É por isso que, juntamente com os físicos Boris Podolsky e Nathan Rosen, Einstein argumentou em 1935 que a mecânica quântica deve ser uma teoria “incompleta” (A. Einstein et al. Phys. Rev. 47777; 1935), em que a medição é apenas uma descrição probabilística de uma realidade física subjacente.

Nesse mesmo ano, Erwin Schrödinger cunhou o termo “emaranhamento” para descrever uma correlação entre dois ou mais objetos sobre qual deles possui conhecimento incompleto. Você pode, por exemplo, ter duas partículas, uma à esquerda e outra à direita, que podem ter um estado (geralmente os físicos consideram a propriedade de ‘spin’, mas pode ser outra coisa, como o momento) de +1 ou –1, e ambos os valores devem adicionar até 0. Portanto, a partícula esquerda tem giro –1 e um na rotação direita +1, ou o outro.

Em um experimento, você pode girar o giro de uma partícula, digamos a esquerda, mesmo sem saber o que é. Se era –1, agora é +1; Se era +1, agora é –1. Se você fizer isso, o que acontece com a partícula do lado direito? Nada. A outra partícula em si não mudou e as duas partículas ainda estão emaranhadas – apenas a correlação entre elas mudou. Você mudou um sistema emaranhado em um sistema diferente e também emaranhado. Não existe ‘ação assustadora’ no emaranhado, nenhuma troca de informações que sejam mais rápidas que a velocidade da luz.

Eu acho que a razão pela qual até alguns físicos se misturam é que, em seu artigo de 1935, Einstein, Podolsky e Rosen usaram o que chamamos de ‘partículas emaranhadas’ para ilustrar o problema com a atualização instantânea de um sistema na medição. Os dois conceitos – medição e emaranhamento – ficaram emaranhados, por assim dizer.

Einstein nunca afirmou que o emaranhamento, ou a própria física quântica, está errado. O que ele fez foi questionar a interpretação física da medição: que um sistema quântico parece existir em vários estados sobrepostos possíveis, mas atualizações para um estado diferente assim que você o observar. Esse é um problema que ainda não foi resolvido.

Norma Sanchez: A relatividade geral é irreconciliável com a física quântica?

Os físicos criaram duas grandes teorias para entender a realidade. A teoria geral da relatividade domina como as coisas acontecem em grandes escalas, como através do cosmos. Enquanto isso, a mecânica quântica cobre forças do tamanho de átomos ou menores. Muitos físicos discutem que nunca podem ser reconciliados – embora não tenhamos indicação real de que isso não é possível. Nos últimos anos, o progresso e o potencial de novas observações, como as das ondas gravitacionais, me dão esperança de que não precisaremos de uma teoria completamente nova para abranger ambos.

Em sua forma atual, essas teorias produzem imagens que estão completamente em desacordo, impraticável ou ininteligível. A gravidade, por exemplo, é bem explicada pela teoria geral da relatividade como uma curvatura do espaço-tempo na presença de corpos maciços. Mas como esse formalismo considera as partículas ter uma massa diferente de zero concentrada em um único ponto (com volume zero), segui-lo em escalas subatômicas tornaria a gravidade infinita, o que não faz sentido.

O princípio ‘quântico’ que diz por que os átomos são como são

Houve muitas tentativas de conciliar as duas estruturas. Uma é a teoria das cordas-na qual partículas e forças surgem das vibrações de pequenas ‘cordas’ unidimensionais. Mas essa teoria se deparou com problemas: não explica a expansão observada do universo, ou sua estrutura, e nenhum experimento direto a apoiou. Outras abordagens que começam com a gravidade clássica e tentam ‘quantizar’ também não foram bem -sucedidas.