A teoria qua¢ntica foi originalmente formulada usando números complexos. No entanto, ao responder a uma carta de Hendrik Lorenz, Erwin Schra¶dinger (um de seus fundadores), escreveu: "Usar números complexos na teoria qua¢ntica édesagrada¡vel e deve ser contestado. A função de onda écertamente fundamentalmente uma função real."

Nos últimos anos, os cientistas descartaram com sucesso qualquer explicação de varia¡vel oculta local da teoria qua¢ntica usando testes de Bell. Posteriormente, tais testes foram generalizados para uma rede com maºltiplas varia¡veis ​​ocultas independentes. Em tal rede qua¢ntica, a teoria qua¢ntica com apenas números reais, ou "teoria qua¢ntica real", e a teoria qua¢ntica padrãofazem previsaµes quantitativamente diferentes em alguns cenários, permitindo testes experimentais da validade da teoria qua¢ntica real.

Pesquisadores da Southern University of Science and Technology na China, da Academia Austra­aca de Ciências e de outros institutos em todo o mundo adaptaram recentemente um desses testes para que possam ser implementados em sistemas fota´nicos de última geração. Seu artigo, publicado na Physical Review Letters , demonstra experimentalmente a existaªncia de correlações qua¢nticas em uma rede a³ptica que não pode ser explicada pela teoria qua¢ntica real.

“Desde os primeiros dias da teoria qua¢ntica, os números complexos eram tratados mais como uma conivaªncia matemática do que um bloco de construção fundamental”, disse Zizhu Wang, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "O debate geral sobre o papel dos números complexos na teoria qua¢ntica continuou atéo presente."

Na década de 1960, o fa­sico suiço Ernst Stueckelberg e seus colegas formularam com sucesso a teoria qua¢ntica em Espaços reais de Hilbert. Embora este tenha sido um marco importante na área, sua formulação não utilizou o renomado, chamado "produto tensor" para compor os diferentes sistemas. Isso significa essencialmente que sua formulação não éconsistente com o que éconhecido como "teoria qua¢ntica real".

“O interesse nesta questãofoi revivido quando comea§amos a olhar para a teoria qua¢ntica de uma perspectiva da teoria da informação”, explicou Wang. "Algumas teorias probabila­sticas generalizadas (GPTs), formuladas usando apenas números reais, acabam sendo tão poderosas quanto a teoria qua¢ntica em algumas tarefas de processamento de informações e atésuperam a teoria qua¢ntica em outras. Mesmo sabendo que as GPTs contem correlações além da teoria qua¢ntica, não ta­nhamos as ferramentas para descartar definitivamente a teoria qua¢ntica real como uma alternativa via¡vel a  teoria qua¢ntica complexa, atéagora."

O artigo recente de Fan e seus colegas inspira-se em um debate de longa data no campo da física, a saber, o referente a  existaªncia de varia¡veis ​​ocultas locais na teoria qua¢ntica. Os fa­sicos Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen colocaram esta importante questãoem um de seus artigos seminais, publicado em 1935. existem varia¡veis ​​ocultas.

“Em 1964, John Bell teve a ideia revoluciona¡ria de usar funções de correlação de probabilidades, que podem ser testadas e analisadas em laboratório, para inferir propriedades subjacentes de sistemas fa­sicos”, disse Jingyun Fan, outro pesquisador envolvido no estudo, a  Phys. .org. "Levou mais 50 anos para finalmente resolver esse debate e descartar sistematicamente explicações de varia¡veis ​​ocultas locais da teoria qua¢ntica".

Embora tenha sido aplicado com sucesso em muitos estudos, o teorema de Bell sozinho não époderoso o suficiente para prever com precisão as diferenças entre teorias qua¢nticas reais e complexas. Em seu estudo recente, Fan e seus colegas conseguiram avaliar essas diferenças considerando uma rede qua¢ntica com várias fontes independentes.

"Recentemente, uma equipe de teóricos, incluindo Miguel Navascuanãs, Mirjam Weilenmann, Armin Tavakoli, David Trillo e Thinh P. Le de Viena, Antonio Aca­n, Marc-Olivier Renou de Barcelona e Nicolas Gisin de Genebra, percebeu que uma generalização natural de Bell teste em uma rede pode distinguir a teoria qua¢ntica complexa da teoria qua¢ntica real", disse Fan. "Em uma rede em que as partes estãoconectadas atravanãs de várias fontes independentes de emaranhamento, a teoria qua¢ntica real não concorda com todas as previsaµes da teoria qua¢ntica complexa. Isso abre caminho para a distinção experimental entre as duas teorias em uma rede qua¢ntica baseada em fontes de emaranhamento independentes."

Para implementar e testar a teoria desenvolvida por Navascuanãs e seus colegas em um ambiente experimental, os pesquisadores usaram uma rede qua¢ntica a³ptica de última geração. Um pressuposto chave da teoria éa independaªncia de fonte, o que implica que a rede analisada deve consistir em fontes de emaranhamento independentes, produzindo pares de estados emaranhados.

A teoria sugere que, quando essa suposição não éatendida, as previsaµes se tornam inva¡lidas. Para garantir que isso fosse atendido em seus experimentos, Fan e seus colegas usaram uma rede fota´nica na qual as fontes de fa³tons emaranhados são fisicamente separadas.

"Outro desafio experimental éque o sistema experimental deve ser limpo com muito pouco rua­do", disse Fan. "Uma equipe de cientistas, incluindo Zhengda Li, Yali Mao, Hu Chen, Lixin Feng, Shengjun Yang e eu da Southern University of Science and Technology em Shenzhen e Zizhu Wang da University of Electronic Science and Technology of China em Chengdu, a cidade famosa por seus pandas, superou esses desafios", disse Fan. "Construa­mos um experimento de rede qua¢ntica com duas fontes independentes de emaranhamento e três partes (ou seja, Alice, Bob e Charlie) e observamos correlações violando as restrições da teoria qua¢ntica real por mais de 4,5 desvios padra£o."

Em contraste com o teste experimental realizado por Fan e seus colegas, os testes padrãobaseados na teoria de Bell empregam apenas uma única fonte de emaranhamento e consideram duas partes (ou seja, Alice e Bob). Seu cena¡rio experimental permitiu que os pesquisadores superassem os desafios associados aos testes padrãobaseados em teoremas de Bell e testassem efetivamente as diferenças entre teorias qua¢nticas reais e complexas.

“Nosso experimento necessariamente refuta a teoria qua¢ntica real como uma teoria física universal, mostrando claramente que nem todas as previsaµes baseadas na teoria qua¢ntica padrãocom números complexos podem ser modeladas pelo ana¡logo do número real da teoria qua¢ntica padra£o”, disse Fan. "Portanto, os números complexos são fundamentais para a teoria qua¢ntica ."

No futuro, o recente estudo realizado por essa equipe de pesquisadores podera¡ abrir caminho para novas pesquisas avaliando os fundamentos da física qua¢ntica, principalmente em redes qua¢nticas. Em última análise, isso poderia permitir o desenvolvimento de novas tecnologias e aplicações qua¢nticas inovadoras, já que o teorema de Bell éamplamente utilizado na ciência da informação qua¢ntica.

“Embora a não localidade de Bell de um sistema bipartido já seja contraintuitivo, a não localidade multipartida em nosso mundo de muitos corpos acaba sendo ainda mais: as correlações da natureza são infinitamente multipartidas não locais”, acrescentou Fan. "Curiosamente, acabamos de desenvolver um teste do tipo Bell para não-localidade multipartida genua­na na rede para mostrar que a natureza énão-local multipartida ilimitada e conduzimos o primeiro experimento."