Uma das características mais fundamentais da física quântica é a não localidade de Bell: o fato de que as previsões da mecânica quântica não podem ser explicadas por nenhuma teoria local (clássica).

Isso tem consequências conceituais notáveis e aplicações de longo alcance em informações quânticas.

Crédito CC0: domínio público

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No entanto, em nossa experiência cotidiana, os objetos macroscópicos parecem se comportar de acordo com as regras da física clássica, e as correlações que vemos são locais. Esse é realmente o caso ou podemos desafiar essa visão? Em um artigo recente na Physical Review Letters, cientistas da Universidade de Viena e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências mostraram que é possível preservar totalmente a estrutura matemática da teoria quântica no limite macroscópico. Isso poderia levar a observações de não localidade quântica na escala macroscópica.

Nossa experiência cotidiana nos diz que os sistemas macroscópicos obedecem à física clássica. Portanto, é natural esperar que a mecânica quântica deva reproduzir a mecânica clássica no limite macroscópico. Isso é conhecido como o princípio de correspondência, conforme estabelecido por Bohr em 1920. Um argumento simples para explicar essa transição da mecânica quântica para a mecânica clássica é o mecanismo de granulação grossa: se as medições realizadas em sistemas macroscópicos têm resolução limitada e não podem resolver partículas microscópicas individuais, então os resultados se comportam de maneira clássica.

Tal argumento, aplicado as correlações de Bell (não locais), leva ao princípio da localidade macroscópica. Da mesma forma, as correlações quânticas temporais se reduzem às correlações clássicas (realismo macroscópico) e a contextualidade quântica se reduz à não contextualidade macroscópica. Acreditava-se fortemente que a transição quântica para clássica é universal, embora faltasse uma prova geral. Para ilustrar esse ponto, tomemos o exemplo da não localidade quântica.

Suponha que temos dois observadores distantes, Alice e Bob, que desejam medir a intensidade da correlação entre seus sistemas locais. Podemos imaginar uma situação típica em que Alice mede sua minúscula partícula quântica e Bob faz o mesmo com a dele e eles combinam seus resultados observacionais para calcular a correlação correspondente. Uma vez que seus resultados são inerentemente aleatórios (como sempre é o caso em experimentos quânticos), eles devem repetir o experimento em um grande número de vezes para encontrar a média das correlações. A principal suposição neste contexto é que cada execução do experimento deve ser repetida exatamente nas mesmas condições e independentemente de outras execuções, o que é conhecido como suposição IID (independente e distribuída de forma idêntica).

Por exemplo, ao realizar lançamentos aleatórios de moeda, precisamos garantir que cada lançamento seja justo e imparcial, resultando em uma probabilidade medida de (aproximadamente) 50% para cara/coroa após muitas repetições. Tal suposição desempenha um papel central nas evidências existentes para a redução à classicallity no limite macroscópico. No entanto, os experimentos macroscópicos consideram grupos de partículas quânticas que são compactadas e medidas juntas com uma resolução limitada (granulação grossa). Essas partículas interagem umas com as outras, por isso não é natural supor que as correlações no nível microscópico sejam distribuídas em unidades de pares independentes e idênticos. Em caso afirmativo, o que acontece se abandonarmos a suposição de IID? Ainda alcançamos a redução para a física clássica no limite de um grande número de partículas?

Em seu trabalho recente, Miguel Gallego (Universidade de Viena) e Borivoje Dakic (Universidade de Viena e IQOQI) mostraram que, surpreendentemente, as correlações quânticas sobrevivem no limite macroscópico se as correlações não forem distribuídas no nível de constituintes microscópicos.

"A suposição do IID não é natural quando se lida com um grande número de sistemas microscópicos. Pequenas partículas quânticas interagem fortemente e as correlações quânticas e emaranhadas são distribuídas em todos os lugares. Dado esse cenário, revisamos os cálculos existentes e fomos capazes de encontrar o comportamento quântico completo na escala macroscópica. Isso é totalmente contra o princípio da correspondência, e a transição para a classicidade não ocorre", diz Borivoje Dakic.

Ao considerar os observáveisde  flutuação (desvios dos valores esperados) e uma certa classe de estados de muitos corpos emaranhados (estados não-IID), os autores mostram que toda a estrutura matemática da teoria quântica (por exemplo, a regra de Born e o princípio de superposição) é preservada no limite. Essa propriedade, que eles chamam de comportamento quântico macroscópico, permite-lhes mostrar diretamente que a não localidade de Bell é visível no limite macroscópico. “É incrível ter regras quânticas na escala macroscópica. Só temos que medir flutuações, desvios dos valores esperados e veremos fenômenos quânticos em sistemas macroscópicos. Acredito que isso abre portas para novos experimentos e aplicações”, diz Miguel Gallego.

Mais informações:

Miguel Gallego et al, Macroscopically Nonlocal Quantum Correlations, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.120401

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Referência:

DAKIC e GALLEGO. Can we see quantum correlations at the macroscopic scale? Phys Org, 23, set. 2021. Disponível em: <https://phys.org/news/2021-09-quantum-macroscopic-scale.html>. Acesso em: 23, set. 2021.