A Realidade Emergente do Mundo Quântico: Entendendo a transição para o Clássico

Fabrício Lustosa ª, Diego G. Barreto ª, Eduardo C. Lima ª, Luciano S. Cruz ª, Pedro R. Dieguez ᵇ e Breno Marques ª*

ª Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Santo André 09210-580, Brasil

ᵇ International Centre for Theory of Quantum Technologies, University of Gdansk, Jana Bazynskiego 1A, 80-309 Gdansk, Polonia

Resumo

Em um estudo sobre a transição do mundo quântico para o clássico, investigamos como a realidade emerge de sistemas quânticos. O experimento aplicou medições fracas, um método que interage sutilmente com o sistema, não tendo o colapso da função de onda por completo, revelando que a supressão das correlações quânticas leva ao surgimento do realismo. Ao aumentar a intensidade das medições fracas, as correlações quânticas são progressivamente reduzidas, e a medida de "irrealismo" do sistema diminui, levando o sistema quântico a um comportamento mais clássico. Os resultados confirmam que a transição não é abrupta, mas um processo gradual impulsionado pela eliminação das propriedades quânticas.

Palavras-chave: Mecânica Quântica, Irrealismo, Óptica Quântica, Transição Quântico-Clássico.

Abstract

In a study on the transition from the quantum world to the classical one, we investigated how reality emerges from quantum systems. The experiment applied weak measurements, a method that interacts subtly with the system without completely collapsing the wave function, revealing that the suppression of quantum correlations leads to the emergence of realism. By increasing the intensity of the weak measurements, the quantum correlations are progressively reduced, and the system's "irrealism" measure decreases, causing it to behave in a more classical manner. The results confirm that the transition is not an abrupt one, but a gradual process driven by the elimination of quantum properties.

Keywords: Quantum Mechanics, Irrealism, Quantum Optics, Quantum-to-Classical Transition

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https://orcid.org/0000-0002-2560-7162

Introdução: A Realidade Quântica em Questão

Você já se perguntou por que as leis do mundo quântico parecem tão estranhas, enquanto nossa realidade clássica é tão previsível? Uma partícula quântica pode estar em múltiplos lugares ao mesmo tempo, mas quando a medimos, ela "escolhe" apenas um, esta tem sido uma discussão fundamental nas últimas décadas [1-4]. Essa transição do mundo quântico para o mundo clássico é um dos maiores enigmas da física. Nossa pesquisa, realizada no CCNH da UFABC, investiga como a "realidade" de um objeto emerge do seu estado quântico, um processo que chamamos de transição quântico-clássica [5,6,7]. Uma das propriedades de uma medida da “irrealidade” quântica é que ela não é suprimida de forma abrupta, mas sim gradualmente, à medida que certas correlações quânticas, chamadas de discórdia quântica, se reduzem [8]. A chave para essa revelação em nossa proposta está em um tipo de medição, a medição fraca. Diferente de uma medição convencional que colapsa o estado quântico, uma medição fraca tenta obter alguma informação sobre o sistema sem alterá-lo, suavemente, sem destruí-lo por completo [50].

A Busca pela Realidade: Como Construímos a Teoria de Nosso Experimento?

Para investigar esse fenômeno, precisávamos de um sistema que nos permitisse ajustar o quanto ele tem de propriedades quânticas, neste caso utilizaremos correlações quânticas, como mostrado na Figura 1. O estado escolhido foi o estado de Werner, onde podemos defini-lo como:

onde ρ_Q é um estado maximamente correlacionado quanticamente, ρ_C é um caso completamente clássico, sem nenhuma correlação, e 0≤μ≤1 é um parâmetro que nos permite ajustar a quantidade de correlação quântica no sistema.

A seguir definimos o que é nossa medida fraca, que pode ser escrita a partir da aplicação de um mapa em um estado quântico qualquer ψ:

onde 0≤ϵ≤1 é a força da medida e ψ_C é o estado pós medidas fortes não revelados. Este mapa leva a um estado quântico ψ em um outro estado, quântico ou clássico, a partir da força da medida feita. Caso ϵ=0, uma medida tão fraca que nenhuma perturbação é feita no estado, logo nenhuma informação é adquirida. Já para o caso ϵ=1 temos a medida comumente conhecida da mecânica quântica, onde tomamos a média sobre todos os possíveis resultados de medição, chamada de medida forte.

Figura 1: Realismo emergindo a partir da supressão da discórdia quântica. (a) No primeiro caso nós temos a preparação do estado de Werner, onde podemos calcular a discórdia quântica para quantificar a irrealidade do sistema. (b) Já no caso que preparamos o estado de Werner e fazemos uma medida fraca em um dos sistemas, podemos associar a realidade ao quanto de informação foi possível extrair do sistema a partir da medida M^ϵ (ρ).

O realismo está associado à possibilidade de saber o resultado de uma medida mesmo antes da medida. Para um caso clássico, por exemplo, o lançamento de um dado, se tivermos todos os parâmetros de como ele foi lançado seria possível prever qual a face sorteada. Quanticamente, mesmo tendo todos os parâmetros conhecidos, nós não conseguimos prever o resultado de uma medida, devida a natureza probabilística da mecânica quântica. Podemos associar a realidade extraída de uma medida da quantidade de informação extraída ao realizar uma medida sobre o sistema e determinar entropia quântica¹ do estado antes e depois da medida [6]:

¹ A entropia quântica, também conhecida como entropia de von Newmann é o análogo da entropia de Shannon para teoria de informação. Ela mede o quão aleatório é o sistema, quanto maior a entropia mais desorganizado é o sistema. Um sistema completamente organizado tem entropia nula, tanto clássica, quanto quanticamente. Essa propriedade também te dá uma ideia de informação, quanto mais aleatório é o sistema, mais informação é necessária para descrevê-lo.

Note que temos duas possibilidades em que esta quantidade será nula: se ϵ=0, significando que nenhuma medida foi feita, logo nenhuma informação é extraída, ou quando o estado é clássico, um estado que mesmo perturbado por uma medida não se altera, M^ϵ (ρ)=ρ. Esta grandeza também é conhecida como realismo fraco, pois não há uma maximização da extração de informação a partir da medida escolhida. Ao maximizar esta propriedade chegamos em algo que conhecemos como discórdia quântica fraca. Também podemos definir o irrealismo como sendo o mínimo da diferença entre a informação do estado após a medida e do estado inicial, que é determinada a partir da entropia relativa:

onde podemos associar ao realismo fraco a partir da relação:

que se transforma em uma igualdade quando a dependência da medida não é importante, que será exatamente caso de nosso experimento.

O Experimento.

A montagem experimental pode ser vista na Figura 2, na qual. O estado maximamente correlacionado quanticamente e polarização, ρ_Q, a partir de uma fonte de fótons gêmeos, onde fótons de um laser azul, com comprimento de onda de 404 nm, tem probabilidade de serem convertidos em dois fótons de comprimento de onda de 808 nm de maneira probabilística por meio deum fenômeno conhecido como conversão paramétrica descendente espontânea [51]. Os fótons gêmeos são divididos nos modos 1 e 2, onde no modo 1 utilizamos placas de onda para manipular a polarização e criar o estado de Werner com um valor de μ qualquer [9]. Já o modo 2 sofrerá ação da medição M^ϵ, onde ϵ depende do posicionamento da placa amarela ao longo do tempo de medida. Ao final, os fótons gêmeos são medidos para caracterizarmos seu estado a partir da técnica conhecida como tomografia quântica, que permite calcularmos todas as propriedades do estado. É importante ressaltar que escolhemos o estado de Werner para fazer o experimento, pois ele não depende de que tipo de medida é feita, sendo possível calcular todas as propriedades necessárias de maneira mais simples.

Figura 2: Montagem experimental utilizada para fazer o experimento em referente ao clássico quântico. (a) A fonte que gera fótons maximamente correlacionados. (b) As placas azuis são colocadas ao longo do experimento para mudar o valor de μ do estado de Werner. Já a placa amarela controla a força da medida a partir do parâmetro ϵ.

Transição Clássica-Quântica revelados em nossos resultados.

Para ver a transição Clássica-Quântica, nós fizemos medidas com diferentes forças da medição e para diferentes estados de Werner, como pode ser visto na Figura 3. Os resultados demonstram que ao variar a força da medida, nós aumentamos a quantidade de realismo para diferentes estados de Werner, com valores μ diferentes. Nós calculamos o realismo fraco de 3 maneiras distintas: a partir de sua definição ΔR; a partir de sua igualdade com o irrealismo; e a partir da discórdia quântica. Todos os resultados teóricos estão dentro do intervalo de incerteza das medidas experimentais, mostrando que as considerações feitas teoricamente estão corretas. A consistência entre essas abordagens reforça a validade de nossas descobertas, fornecendo evidências de que as medições fracas realizadas em estados de Werner suprimem progressivamente a discordância quântica, impulsionando a emergência do realismo clássico.

Figura 3: O realismo fraco em função da força ϵ das medidas. Cada gráfico a-e mostram os resultados para diferentes estados de Werner, com μ=1,3/4,1/2,1/4,0, respectivamente.

E eu com isso?

O experimento demonstrou ainda que medições fracas são ferramentas eficazes para investigar a transição quântico-clássica, possibilitando uma mudança controlada entre medições fracas e projetivas. Com base neste trabalho, futuros avanços em nosso aparato poderão ser utilizados para explorar a conexão recentemente proposta entre a medida de irrealismo e as relações de complementaridade completas (vinculados ao princípio de incerteza quântico), oferecendo novos olhares sobre a interação entre as correlações quânticas, o realismo e a complementaridade.

Por mais que a pesquisa demonstrada neste experimento seja básica, ela nos auxilia no melhor entendimento dos fundamentos de mecânica quântica, podendo auxiliar no desenvolvimento de tecnologias quânticas e aplicações em informação quântica e computação quântica, área de interesse do grupo de Tecnologias Quânticas da UFABC. Este artigo foi publicado na New Journal of Physics, 27 (2025) 054503 e faz parte da tese de doutorado do aluno Fabrício Lustosa, que pode ser encontrada no acervo da biblioteca da UFABC.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pela CAPES, Instituto Nacional de Informação Quântica (CNPq-IQ), NCN Poland e FAPESP (Bolsas de Doutorado direto 2023/03513-0 e 2023/11444-9; Projeto Jovem Pesquisador 2021/14303-1)

Bibliografia

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• [3] Ringbauer M, Duffus B, Branciard C, Cavalcanti E G, White A G and Fedrizzi A 2015 Measurements on the reality of the wavefunction Nat. Phys. 11 249
• [4] Harrigan N and Spekkens R W 2010 Einstein, incompleteness and the epistemic view of quantum states Found. Phys. 40 125
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• [6] Dieguez P and Angelo R 2018 Information-reality complementarity: the role of measurements and quantum reference frames Phys. Rev. A 97 022107
• [7] Wu S 2013 State tomography via weak measurements Sci. Rep. 3 1193
• [8] Dieguez P and Angelo R 2018 Weak quantum discord Quantum Inf. Process. 17 1
• [9] Lustosa F, Serra R M, Cruz L S and Marques B 2024 Simulation of dissipative dynamics without interferometers Eur. Phys. J. Plus 139 1036

Artigo da Edição 40 do Informativo PesquisABC.