De volta ao futuro? Borracha pendente Quantum

Artigos e comentários sobre as maravilhas da física quântica aparecem periodicamente em Habré: apagador quântico e medições fracas. Infelizmente, muitas vezes eles são mencionados como fenômenos misteriosos e incompreensíveis que tornam possível criar quase mágica, embora na realidade não haja absolutamente nada de surpreendente neles. Neste post, estou traduzindo o artigo de Sean Carroll sobre apagadores quânticos adiados. Que seja o ponto de partida para a discussão nos comentários de todos os truques da mecânica quântica.

Do tradutor. Sean Carroll é professor da Caltech, especializado em cosmologia e noções básicas de física quântica. Ele é um defensor consistente da MMI (Many-Worlds Interpretation) da mecânica quântica, sobre a qual o Something Deeply Hidden divulgou recentemente. Assim, a explicação do experimento no post será do ponto de vista do MMI. Embora em geral isso não seja tão importante para a explicação em si. Você pode ler meu post recente sobre o MMI se quiser atualizar o básico.

Carroll também hospeda um ótimo podcast do Mindscape . Este podcast acabou por ser quase o principal evento da minha vida intelectual no ano passado e, honestamente, é o melhor que você pode obter deste post.

Disclaimer! Em alguns lugares, adaptei um pequeno texto e acrescentei um pouco de mim por uma questão de clareza. Todos os erros estão em minha consciência (e na PM, espero).

Este artigo é um capítulo de Something Deeply Hidden , que não foi incluído na versão final do texto.



Vamos imaginar que você seja um estudante de física, participe de um curso em trabalho experimental, e o professor esteja de mau humor. Obriga você a conduzir uma versão particularmente estranha da experiência de Jung , explicando que essa versão é chamada de "apagador quântico de escolha retardada". Parece que você já viu algo assim no YouTube uma vez.
No experimento tradicional de Jung com duas fendas, um feixe de elétrons passa por duas fendas e entra na tela de gravação. Cada elétron deixa um ponto na tela individualmente, mas se esperarmos até que muitos desses eventos sejam digitados, veremos uma imagem de interferência com listras claras e escuras. Isso ocorre porque a função de onda dos elétrons passa por ambas as fendas e interfere consigo mesma.


Se medirmos por qual intervalo cada elétron passa, a imagem de interferência desaparecerá e veremos uma distribuição suavizada na tela. Tradicionalmente, livros didáticos sobre mecânica quântica nos dizem que isso aconteceu devido ao colapso da função de onda quando a observamos em fendas. A interpretação de vários mundos diz que isso ocorre porque o elétron estragou o dispositivo de medição e o dispositivo estragou o ambiente (ocorreu a decoerência), e a função de onda foi dividida em dois mundos separados, em que o elétron passou por apenas uma das fendas.

A imagem de interferência é visível quando o elétron passa por dois slots (à esquerda), até que é feita uma tentativa de medir através de qual fenda o elétron passa (à direita).

Seu experimento é complicado: você medirá através do intervalo que um elétron passa, mas não com um grande dispositivo macroscópico, mas com um dispositivo quântico, e armazenará as informações em um qubit. Por exemplo, para cada elétron "principal" que passa pelas lacunas, temos um segundo elétron "auxiliar" entrelaçado com o primeiro. O par é confundido da seguinte forma: se o elétron principal passa pelo espaço esquerdo, o elétron auxiliar está em um estado com rotação para cima e, se através do direito - com rotação para baixo:

Ψ = (L) [↑] + (R) [↓].

Seu professor, que obviamente não está de bom humor hoje em dia, insiste em que você não faça medições nos elétrons "auxiliares" e nem os deixe voar e colidir com algo na sala. Você os captura e guarda com cuidado, por exemplo, em uma armadilha magnética.
O que veremos na tela se repetirmos esse experimento com muitos elétrons? Obviamente, uma distribuição suave sem uma imagem de interferência, é claro. A interferência pode ocorrer apenas se duas partes são componentes da mesma função de onda, e como dois elétrons principais estão agora emaranhados com auxiliares, os caminhos através dos slots esquerdo e direito são distinguíveis e não vemos a imagem de interferência. Nesse caso, é indiferente que não tenhamos uma dimensão real (e decoerência), mas apenas confusão. A única coisa importante é que os elétrons principais estão em um estado de emaranhamento com os elétrons auxiliares. Qualquer confusão mata interferência.

Obviamente, podemos medir os giros dos elétrons auxiliares, se quisermos. Se as medimos ao longo do eixo vertical, obtemos [↑] ou [↓]. Com relação ao estado quântico, isso nos colocará no universo onde o elétron principal passou pela abertura esquerda ou no universo onde passou pela direita. Finalmente, se repetirmos o experimento várias vezes, não veremos interferência.

Tudo bem, diz seu professor com inclinações sádicas, esfregando as mãos com um sorriso vilão. Vamos agora medir nossos elétrons auxiliares, mas não na vertical, mas no eixo horizontal. O estado nas bases vertical e horizontal está relacionado como:
[↑] = [→] + [←],
[↓] = [→] - [←].

(Para simplificar, descartamos os fatores de normalização). Nesta base, o mesmo estado acima será assim:

Ψ = (L) [→] + (L) [←] + (P) [→] - (P) [←]
= ( + ) [→] + ( - ) [←].

Quando medimos o giro auxiliar na direção vertical, obtivemos um determinado caminho do elétron principal: [↑] foi entrelaçado com () e [↓] foi entrelaçado com (). Fazendo uma medição, descobrimos se o elétron principal passava pela fenda esquerda ou direita. Agora medimos a rotação ao longo da direção horizontal, e essa certeza desaparece. Após a medição, nos encontramos novamente no ramo da função de onda, onde o elétron principal passa imediatamente por dois slots. Se medirmos a rotação "esquerda", o elétron principal receberá uma mudança de fase ao passar pela fenda direita (sinal de menos), mas esse é um recurso puramente matemático.
Assim, escolhendo esse método de medição, “apagamos” as informações sobre o espaço pelo qual o elétron passou. Este é o chamado "apagador quântico". O processo de apagamento em si não altera a distribuição geral de pontos na tela. Ele permanece suave e a interferência não ocorre: os resultados da medição “esquerda” e “direita” ainda são aleatórios.

Mas agora não temos apenas a distribuição geral de elétrons na tela. Para cada ponto da tela, também sabemos o resultado da medição do elétron auxiliar: ele estava no estado de "rotação para a esquerda" ou "rotação para a direita". Então, seu professor está florescendo, agora vamos ao computador e dividimos nossas medições em duas partes: a parte para a qual o elétron auxiliar girou para a esquerda e a parte para a qual estava à direita. O que vamos ver agora?

É curioso que agora a interferência reapareça. Os elétrons principais associados aos elétrons auxiliares de rotação esquerda formam uma imagem de interferência, bem como aqueles para os quais o elétron auxiliar girou para a direita. (Lembre-se de que a imagem de interferência não aparece imediatamente, mas aparece quando são coletadas estatísticas de elétrons únicos). Mas essas duas imagens são deslocadas uma em relação à outra, de modo que os picos de uma imagem coincidam com os mergulhos da outra. Quando eles são sobrepostos, ocorre uma distribuição suave onde a imagem de interferência está realmente oculta.

Retirado da Wikipedia

Olhando para trás, não acharemos isso tão surpreendente. Se observarmos como o estado Ψ foi registrado em relação aos elétrons auxiliares em uma base horizontal (rotação para a esquerda ou direita), veremos que cada medição foi enredada com o elétron principal passando pelos dois slots. Então, é claro, poderia surgir interferência. E esse sinal de menos, que parecia um detalhe matemático completamente sem importância, mudou uma imagem em relação à outra, de modo que, quando foram sobrepostas, formaram uma imagem suave.

Seu professor parece estar mais surpreso com isso do que você. "Você não pode ver!" Ela exclama animadamente. “Se não medirmos elétrons auxiliares nem os medimos ao longo do eixo vertical, nenhuma interferência ocorre. E se as medimos ao longo do eixo horizontal, verifica-se que havia uma interferência oculta que poderíamos detectar dividindo os resultados da medição em partes para diferentes rotações do elétron auxiliar. ”

Você e outros alunos concordam com a cabeça, apesar de estarem perplexos.

“Pense no que isso significa! A escolha da direção de medição dos spins auxiliares pode ser feita após todos os elétrons principais terem sido registrados na tela. Se salvássemos todas as costas auxiliares sem deixá-las confundir com o ambiente, poderíamos fazer essa escolha anos depois. ”

Parece que sim, o público murmura, parece verdade.

“Mas a interferência ocorre apenas quando os elétrons principais passam por ambas as fendas, e uma distribuição suave ocorre quando um elétron passa por uma fenda. Essa decisão - passar por duas fendas ou por uma - ocorre muito antes de medirmos os elétrons auxiliares. Obviamente, nossa decisão de medi-los horizontalmente, em vez de verticalmente, enviou um sinal de volta ao passado e informou aos elétrons principais que eles precisavam passar pelos dois slots ao mesmo tempo, e não por um. ”

O público confuso congela por um momento e explode em protesto. Solução? De volta ao passado? Do que você está falando? O elétron não faz a escolha de passar por uma lacuna ou outra. Sua função de onda (e tudo com o qual é confundida) evolui de acordo com a equação de Schrödinger, como de costume. Um elétron não faz escolhas, definitivamente sempre passa pelos dois slots, mas acaba por estar em um estado confuso. Medindo elétrons auxiliares em diferentes direções, podemos escolher diferentes partes da função de onda emaranhada, algumas das quais interferem e outras não. Nada voltou ao passado. Esta é uma experiência interessante, mas ninguém está construindo nenhuma máquina do tempo aqui.

Você e seus camaradas estão certos. Seu professor está um pouco empolgado. Sempre existe a tentação de pensar no elétron como algo que possui “as propriedades de uma onda e uma partícula ao mesmo tempo”, e a interpretação de Copenhague da mecânica quântica apenas o tolera. Se sucumbirmos a essa tentação, a idéia de que o elétron se comporte como partícula ou como onda, e em cada experimento, uma dessas duas opções é realizada, não está longe. E a partir dessa posição, um apagador quântico com uma escolha diferida realmente leva à conclusão de que a informação deveria ter sido transferida de volta ao passado para ajudar o elétron na escolha. Honestamente, explicações populares frequentemente complicam o cenário, criando uma aura de mistério na mecânica quântica. E a suposição de que a mecânica quântica permite que você envie sinais para o passado apenas adiciona combustível ao fogo.

Todas essas tentações devem ser resistidas. Um elétron é simplesmente parte da função de onda do universo. Ele não escolhe ser uma partícula ou uma onda. Mas, por alguma razão, mesmo pesquisadores sérios nos fundamentos da física quântica às vezes consideram experimentos com uma borracha quântica com uma escolha atrasada e outros como esse (que, aliás, foram testados repetidamente na prática) como evidência de causalidade reversa na natureza - sinais se propagando para trás no tempo, afetar o passado. Uma variante desse experimento, proposta por ninguém menos que John Wheeler, sugeriu vários telescópios do outro lado da tela que podiam determinar por qual lacuna o elétron passava, muito depois do momento em que passou. Ao contrário dos comentaristas posteriores, Wheeler não chegou a sugerir causalidade reversa e não insistiu que o elétron seja sempre uma partícula ou uma onda.

Não há necessidade de causalidade reversa para explicar uma borracha quântica adiada. Para o seguidor de uma interpretação de vários mundos, o resultado é óbvio sem nenhuma viagem no tempo. O truque é que, quando confundido com um giro, e não com um enorme conjunto de partículas em um detector e ambiente clássicos, o elétron não se decompõe no sentido pleno da palavra. Quando o elétron principal está enredado em apenas uma partícula, podemos considerar diferentes opções para medir essa partícula auxiliar. Se, como no experimento usual de Jung, medimos a diferença pela qual um elétron passou usando um dispositivo macroscópico clássico, não temos essa opção de opções de medição. Com verdadeira decoerência, o tamanho minúsculo do emaranhado original é reforçado, essencialmente irreversivelmente, emaranhado com o meio ambiente. Nesse sentido, um apagador quântico de escolha tardia prova ser um experimento útil para reconhecer o papel da decoerência e do ambiente nas medições.

Infelizmente, nem todo mundo é um defensor de uma interpretação multi-mundo. Em outras versões da mecânica quântica, as funções de onda na verdade entram em colapso, em contraste com a interpretação multivariada, onde o colapso é apenas aparente, surgindo devido à decoerência. Nas interpretações em que o colapso realmente ocorre (como GRW), acaba sendo assimétrico no tempo: as funções da onda entram em colapso, mas não podem retornar ao seu estado original. Se, em sua teoria, há um colapso da função de onda, mas ao mesmo tempo você deseja manter a simetria do tempo geral nas leis da física, pode se convencer da necessidade de causalidade reversa.

Ou você pode aceitar a evolução suave da função de onda com ramificação em vez de colapsar e manter automaticamente a simetria do tempo para todas as equações básicas sem a necessidade de viajar no tempo ou duvidar de elétrons.

Bem-vindo aos muitos mundos!