Variáveis fora do tempo - nem no passado e nem no futuro - violam causalidade

Com informações da Universidade Livre de Bruxelas - 28/03/2023

Algumas variáveis estão tanto no passado quanto no futuro causal uma da outra.
[Imagem: Université Libre de Bruxelles]

Causalidade não é absoluta

O conceito de causalidade é essencial para a física e para nossa compreensão do mundo em geral.

Normalmente, pensamos nos eventos como ocorrendo em uma ordem causal bem definida. Ou seja, eles são ordenados de acordo com algum parâmetro de tempo, de forma que eventos no passado possam influenciar eventos no futuro, mas não o contrário. Por exemplo, o nascer do Sol faz o galo cantar, mas o cantar do galo não tem nenhuma influência no nascer do Sol.

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente na questão do que acontece com essa noção convencional de causalidade quando a teoria quântica entra em jogo.

Um dos resultados seminais neste novo campo foi a descoberta de processos hipotéticos que podem produzir correlações que violam as chamadas desigualdades causais, o que implicaria em uma falta de uma sequência de causalidade entre variáveis específicas em um experimento, de modo semelhante ao modo como a violação das desigualdades de Bell implica que nenhum modelo de variável oculta local pode explicar as observações.

Contudo, embora as violações da desigualdade de Bell excluam as explicações causais clássicas de certas correlações, as variáveis observadas em um experimento desse tipo ainda respeitam a estrutura causal do espaço-tempo, no sentido de que não permitem uma troca de informações mais rápida que a luz.

Descrição de um circuito quântico em termos de subsistemas "fora do tempo".
[Imagem: Julian Wechs et al. - 10.1038/s41467-023-36893-3]

Violações da desigualdade causal

As violações da desigualdade causal, por outro lado, implicam que certas variáveis observadas não podem, em princípio, ter uma ordem causal intrinsecamente associada a elas, uma vez que algumas dessas variáveis estão, em certo sentido, tanto no passado quanto no futuro uma da outra.

Embora certos processos causalmente indefinidos fossem conhecidos por admitir implementações experimentais por meio do condicionamento dos tempos dos eventos em variáveis quânticas em superposições, esses processos não podem violar desigualdades causais, que é uma forma de indefinição causal muito mais forte e independente da teoria. Não por acaso, devido às suas propriedades altamente contra-intuitivas, os processos que violam as desigualdades causais eram comumente considerados impossíveis com a física conhecida.

Agora, Julian Wechs e Ognyan Oreshkov (Universidade Livre de Bruxellas) e Cyril Branciard (Instituto Néel, na França) mostraram que certos processos que violam desigualdades causais podem de fato ser realizados nos regimes da física quântica padrão, nos chamados subsistemas com deslocamentos temporais, ou delocalizados no tempo.

São sistemas físicos definidos por observáveis que são deslocalizados em diferentes instantes do tempo, da mesma forma que a informação quântica pode ser deslocalizada no espaço, por exemplo, em códigos de correção de erros quânticos.

No tempo quântico, você não precisará esperar o tempo passar.
[Imagem: Magdalena Zych/Igor Pikovski]

Nem no passado e nem no futuro

Os três pesquisadores encontraram agora uma nova forma de deslocalizar subsistemas que torna possível implementar uma classe inesperada de processos para os quais não se pode definir o que causou o que, entre os quais alguns exemplos muito marcantes que violam as desigualdades causais.

Eles descreveram como demonstrar experimentalmente um dos processos mais contra-intuitivos conhecidos, o chamado processo de Lugano, descoberto por Mateus Araujo, Adrien Feix, Amin Baumeler e Stefan Wolf. E seu roteiro é, surpreendentemente, clássico e determinístico, descrevendo dependências causais entre três partes semelhantes àquelas esperadas em curvas temporais fechadas.

"Essa possibilidade é alcançada por meio de uma nova maneira de deslocalizar operações quânticas ou clássicas. Os resultados dão a impressão de que Alice e Bob podem fazer escolhas que influenciam se uma ação específica, uma vez realizada por Charlie, ocorre em seu passado ou em seu futuro. Isso obviamente viola a causalidade, já que eles não deveriam ser capazes de influenciar se Charlie fez algo em seu passado ou não. A 'solução' para este aparente paradoxo é que a operação de Charlie não acontece nem no passado e nem no futuro - ela acontece de um modo deslocalizado em ambos os tempos possíveis," explicou Julian Wechs.

"É realmente de fritar os miolos que esse tipo de situação seja possível na prática, mesmo com variáveis deslocalizadas no tempo. Agora que vimos como são essas variáveis, não parece surpreendente, em retrospecto, que possamos definir variáveis deslocalizadas em diferentes tempos de tal forma que elas não possam ser efetivamente localizadas condicionalmente em outras variáveis. Mas, se você me perguntasse três anos atrás se eu acreditava que seria possível concretizar processos violando as desigualdades causais em termos dessas variáveis, eu provavelmente teria apostado que você não conseguiria," acrescentou Cyril Branciard.

"O que eu acho realmente impressionante é que essa violação da desigualdade causal diz respeito inteiramente a variáveis clássicas," disse Ognyan Oreshkov. "Nós sabíamos há algum tempo que, pelo menos em teoria, as correlações não causais não são um fenômeno exclusivamente quântico quando temos mais de dois participantes. Mas o fato de que isso pode ocorrer na prática realmente nos força a reconsiderar nossas suposições sobre que tipo de relações causais são possíveis na natureza. E quando superposições quânticas são permitidas, a gama de possibilidades torna-se ainda mais ampla."

Reverter causa e efeito não será problema para os computadores quânticos.
[Imagem: Aki Honda/Centre for Quantum Technologies/NUS]

Existe um observador fora do tempo?

As consequências desse resultado para nossa compreensão do tempo ainda precisam ser elucidadas.

Será que podem existir observadores para os quais o tempo flui de uma forma que corresponda às relações causais cíclicas neste tipo de processo, e isso pode dar pistas sobre o comportamento do espaço-tempo em regimes onde tanto a teoria quântica quanto a relatividade geral se tornam relevantes? Ainda não temos uma resposta para isso.

Além de sua importância para a física fundamental, os pesquisadores esperam que seu trabalho possa dar origem a novas aplicações no processamento de informações que explorem variáveis deslocalizadas no tempo.

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