UFOeUAPARQUIVO EM PORTUGUÊS

Data: 30/03/2010Local: Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA

DIA, 2010: estudo do AAWSAP discute se o entrelaçamento quântico poderia permitir comunicação mais rápida que a luz no espaço

O DIRD de 30 de março de 2010 revisa o entrelaçamento e a não localidade quânticos e propõe um experimento sem coincidências para testar se eles permitiriam sinais entre observadores. O próprio texto diz que não há resposta convincente e que a questão é experimental; o exemplo de aplicação é o controle em tempo real de um rover em Marte.

Dossiê completoHistória da investigação
Data do evento
30/03/2010
Local
Relatório da Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA, Washington, D.C., EUA
Tema
História da investigação
Órgãos das fontes
DOW
Documentos
1 documento · 32 páginas
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78 min
Diagrama óptico com laser, cristal, lente, divisor de polarização, fendas, chave de fibra, detectores e uma câmera com dois padrões de exemplo.Diagrama de relatório oficialPágina física 18
Diagrama de relatório oficial · DIA, programa AAWSAP; esquema do próprio relatório · Página física 18 do arquivo divulgado. Figura 7: esquema do arranjo proposto, sem coincidências, para testar a comunicação não local. Um laser de argônio bombeia um cristal BBO, uma lente e um divisor de polarização separam os fótons entrelaçados, e uma chave de fibra óptica liga ou desliga a informação de qual fenda o fóton atravessou; uma câmera registra o padrão de uma fenda ("1") ou de duas fendas ("0"). Página física 18. Desenho de um experimento proposto no relatório, não foto de aparelho montado nem resultado medido; os autores só dizem que o teste decidiria a questão. Fonte documental ↗ · Ampliar imagem ↗

FONTES DOCUMENTAIS · DOW

O que os registros contam

Este é um estudo de física teórica e experimental proposta, não um relato de avistamento. O Defense Intelligence Reference Document "The Space-Communication Implications of Quantum Entanglement and Nonlocality" (DIA-08-1003-016) tem data de 30 de março de 2010 e foi preparado pela Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3), do Escritório de Alerta de Defesa, na Diretoria de Análise da Defense Intelligence Agency. O autor aparece como "AAP Person 76". O expediente diz que o texto integra uma série de relatórios de tecnologia avançada do ano fiscal de 2009, no programa Advanced Aerospace Weapon System Applications (AAWSA), e que as fotografias da publicação não podem ser redistribuídas.

O artigo revisa o entrelaçamento quântico e a não localidade e pergunta se o fenômeno poderia servir para enviar sinais de um observador a outro. Os autores reconhecem que os "teoremas de impossibilidade de sinalização" da literatura dizem que isso não é possível, mas afirmam que ao menos algumas dessas provas são circulares, porque já partem de hipóteses locais. Sustentam também que a relatividade restrita não seria violada por um sinal não local, já que os instantes de envio e de recepção dependem do caminho e do atraso e não fixam uma simultaneidade absoluta. Já o princípio da causalidade, segundo o texto, provavelmente seria violado.

A parte experimental parte de dois trabalhos reais: o experimento de Interferência Fantasma, de 1995, e a tese de Birgit Dopfer, de 1998. Ambos mostram que a escolha feita num braço do aparato muda o padrão observado no outro, mas só quando as detecções são cruzadas por coincidência, o que exige um enlace de comunicação comum. O estudo discute por que a coincidência parece necessária e aponta uma complementaridade entre coerência da fonte e entrelaçamento: sem coerência não há padrão de interferência para servir de "sinal", e sem entrelaçamento um fóton não se liga ao outro. Se existiria um ponto intermediário viável, diz o texto, é questão em aberto.

A proposta central é um arranjo sem coincidências (Figura 7): uma chave de fibra óptica liga ou desliga a informação de "qual caminho" num braço, e uma câmera no outro braço deveria registrar um padrão de uma fenda ("1") ou de duas fendas ("0"). Os autores avisam que demonstrar o efeito não é o mesmo que enviar um sinal, porque um único par de fótons não transmite nada. Estimam que seriam necessárias cerca de 10 detecções para uma decisão estatística de 3 sigmas e, mais provavelmente, 100 ou mais, com uma fonte de pares entrelaçados muito mais eficiente, como cristais periodicamente polarizados. A análise pela interpretação transacional não encontra impedimento, mas a interpretação é neutra quanto à possibilidade.

Supondo que o arranjo funcionasse, o texto descreve consequências: com fibras de 10 km em cada braço, a mensagem chegaria cerca de 50 microssegundos antes do envio, o que seria sinalização retrocausal. Discute os paradoxos da burla e da concepção imaculada, cita as saídas propostas por Wheeler e Feynman, por Thorne e por Hawking e mostra que um sistema com intervalo do tipo espaço, com fibras de igual comprimento, evitaria laços temporais. A Seção XII acrescenta a mecânica quântica não linear de Weinberg e Polchinski, cujas buscas experimentais, diz o texto, só produziram limites superiores muito baixos, e especula que a não linearidade possa existir em campos gravitacionais muito fortes.

O exemplo de aplicação é o controle de um rover em Marte. A luz leva entre 4,4 e 20 minutos para chegar a Marte e de 4 a 4,3 horas para chegar a Netuno, o que, segundo a introdução, impede o controle em tempo real de dispositivos remotos e obriga a usar robôs pré-programados. Com um enlace não local, um operador na Terra "dirigiria" o rover em realidade virtual. O horizonte é totalmente hipotético: o texto não dá prazo, não afirma que a tecnologia exista e termina dizendo que a questão é experimental e que ao menos um experimento em andamento busca uma versão sem coincidências da Interferência Fantasma.

O documento não diz por que o programa o encomendou. A introdução justifica o tema pela limitação da comunicação espacial e pelas implicações de uma tecnologia habilitadora de sinalização superluminal e retrocausal. Ele não menciona UFOs, UAPs nem engenharia reversa, e nenhuma passagem liga o assunto a objetos observados. O valor histórico está em mostrar o tipo de física de fronteira que a série do AAWSAP reuniu, ao lado de estudos sobre propulsão, dobra espacial e antigravidade. As avaliações pertencem ao autor, com o conhecimento disponível em 2010; resultados experimentais como o de Aspect, o de Zeilinger e as estimativas de contagens são citações do estudo, não medições do portal.

Quanto à tradução, as 32 páginas do relatório estão traduzidas na íntegra: capa, expediente, sumário, texto, legendas de figuras, glossário e lista de referências. As equações do texto são curtas e aparecem em linha, como s² = x² − (ct)². Nas figuras, os rótulos foram reproduzidos entre colchetes. Na lista de referências, só os elementos descritivos foram vertidos; os títulos de obras e artigos em inglês permanecem no original.

LEITURA DIRETA DO ARQUIVO

O documento, em português

Traduzidas na íntegra as 32 páginas do documento (capa, expediente, sumário e lista de figuras, texto das seções I a XIII, glossário e referências). Os rótulos das figuras estão entre colchetes e as equações seguem a notação do original. Na lista de referências, só os elementos descritivos foram vertidos; os títulos de obras e artigos em inglês permanecem no original.

TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 30 de março de 2010 ICOD: 1º de dezembro de 2009 DIA-08-1003-016 Defense Intelligence Reference Document (Documento de Referência de Inteligência de Defesa) Apoio a Ameaças de Aquisição As implicações do entrelaçamento e da não localidade quânticos para a comunicação espacial NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL

Nota editorial: Capa do DIRD DIA-08-1003-016, de 30 de março de 2010, série Apoio a Ameaças de Aquisição.

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UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFICIAL 891!! Oflt I 30 March 2010 ICOD: 1 December 2009 DIA-08 -1003 -016 Defense Intelligence Reference Document Acquisition Threat Support The Space-Communication Implications of Quantum Entanglement and Nonlocality UNCLASSIFIED/ /FOR 8FPl@IAL 891!! Oflt I

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TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL observador (Referência 12), porque seria preciso deduzir, a partir dos fótons que chegam, a base de polarização que estava sendo usada nas medições distantes. Este é um aspecto da independência de parâmetro mencionada acima. Embora cada observador seja livre para escolher um parâmetro que especifica a base de polarização (por exemplo, circular direita/esquerda, linear em qualquer ângulo) da medição, ele não é livre para forçar o fóton a um estado particular dessa base, como seria exigido pela comunicação não local. Entretanto, medir correlações de polarização num sistema com vínculos de momento angular não é a única maneira de demonstrar a conexão não local entre as partes separadas e entrelaçadas de um sistema quântico. A seguir, discutem-se experimentos EPR que usam entrelaçamento de momento e explora-se a questão de saber se tais sistemas quânticos poderiam oferecer um veículo melhor para a comunicação não local de observador a observador, pois, ao usar o entrelaçamento de momento, um observador consegue forçar o fóton a um comportamento corpuscular ou ondulatório. II. Os teoremas quânticos de impossibilidade de sinalização Como Einstein deu a entender com seu conhecido comentário sobre "ações fantasmagóricas à distância", a imposição de correlações quânticas, pela não localidade, por intervalos do tipo espaço e do tipo tempo negativo é muito contraintuitiva. Parece implicar as possibilidades gêmeas de comunicação superluminal e de causação reversa, por meio de comunicação de volta no tempo entre observadores. Contudo, vários autores (Referência 13) apresentaram "provas" de que tal comunicação não local de observador a observador é impossível dentro do formalismo da mecânica quântica padrão. Esses teoremas afirmam que, em medições separadas envolvendo sistemas quânticos entrelaçados, as correlações quânticas serão preservadas, mas não haverá efeito aparente para um observador em um subsistema se o caráter da medição for alterado no outro subsistema. Assim, afirma-se, a sinalização não local é impossível. Como mencionado acima, os experimentos EPR podem ser vistos (Referências 5, 6) como demonstrando violações da independência de resultado, da independência de parâmetro ou de ambas. A independência de resultado não pode ser usada para sinalização não local, enquanto a independência de parâmetro pode. Assim, qualquer teste de sinalização não local é, na prática, um teste da independência de parâmetro dos fenômenos quânticos, e os teoremas de impossibilidade de sinalização são "provas" da independência de parâmetro. Essas "provas" de impossibilidade de sinalização têm realmente o status de teoremas matemáticos? Talvez não. Foi apontado recentemente (Referência 14) que pelo menos algumas dessas "provas" que descartam a sinalização não local são tautológicas, pois supõem que o processo de medição e a hamiltoniana associada são locais, embutindo assim a conclusão final de ausência de sinalização em suas hipóteses de partida. A simetrização de Bose-Einstein da mecânica quântica padrão em sistemas de bósons foi levantada como contraexemplo, mostrando-se inconsistente com as hipóteses iniciais de algumas dessas "provas". Portanto, ao menos sob algumas perspectivas, a possibilidade de comunicação não local no contexto da mecânica quântica padrão permanece em aberto e apropriada para teste experimental. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 4

Nota editorial: Fim da Seção I e Seção II: os teoremas de impossibilidade de sinalização e a objeção de que algumas provas seriam circulares.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAk WSE OPtklf observer signaling (Reference 12), because one would need to deduce from the arriving photons the polarization basis that was being used in the distant measurements. This is an aspect of the parameter independence mentioned above. While each observer is free to choose a parameter that specifies the polarization basis (for example, circular right/left, linear at any angle) for the measurement, he is not free to force the photon into a particular state of that basis, as would be required for nonlocal communication. However, measuring polarization correlations in a system with angular momentum constraints is not the only way to demonstrate the nonlocal connection between the entangled separated parts of a quantum system. Below, EPR experiments that use momentum entanglement are discussed, and the question of whether such quantum systems might provide a better vehicle for observer-to-observer nonlocal communication is explored, because by using momentum entanglement, an observer is able to force the photon into particle-like or wave-like behavior. II. The Quantum No-Signal Theorems As Einstein implied with his well-known "spooky actions at a distance" comment, enforcement of quantum correlations across spacelike and negat ive timelike intervals by nonlocality is very counterintuitive. It appears to imply the twin possibilities of superluminal commun ication and of reverse causation through back-in-time communication between observers. However, a number of authors (Reference 13) have presented "proofs" that such nonlocal observer-to-observer communication is impossible within the formalism of standard quantum mechanics. These theorems assert that in separated measurements involving entangled quantum systems, the quantum correlations will be preserved, but there will be no effect apparent to an observer in one sub-system if the character of the measurement is changed in the other sub-system . Thus, it is asserted, nonlocal signaling is impossible. As mentioned above, EPR experiments can be viewed (Reference 5, 6) as demonstrating violations of outcome independence or parameter independence or both. Outcome independence cannot be used for nonlocal signaling, while parameter independence can. Thus, any test of nonlocal signaling is, in effect, a test of the parameter independence of quantum phenomena, and the no-signal theorems are "proofs" of parameter independence. Do these no-signal "proofs" really have the status of mathematical theorems? Perhaps not. Recently it has been pointed out (Reference 14) that at least some of these "proofs" ruling out nonlocal signaling are tautological, assuming that the measurement process and its associated Hamiltonian are local, thereby building the final conclusion of no signaling into their starting assumptions. Standard quantum mechanical Bose­ Einstein symmetrization in systems of bosons has been raised as a counter-example, shown to be inconsistent with the initial assumptions of some of these "proofs." Therefore, at least from some perspectives, the possibility of nonlocal communication in the context of standard quantum mechanics remains open and appropriate for experimental testing. UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAk WSE OHkl/ 4

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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL III. Não localidade versus relatividade restrita? Se a comunicação não local for possível, ela entraria em conflito com a relatividade restrita e sua conhecida proibição de sinais mais rápidos que a luz? A resposta é não. A proibição de sinais com velocidades superluminais pela teoria da relatividade restrita de Einstein está relacionada ao fato de que a simultaneidade definida de dois pontos separados do espaço-tempo não é invariante de Lorentz. Como algum hipotético sinal superluminal poderia ser usado para estabelecer uma relação fixa de simultaneidade entre dois desses pontos (por exemplo, por sincronização de relógios), isso implicaria um referencial inercial preferencial e seria inconsistente com a invariância de Lorentz e com a relatividade restrita. Em outras palavras, seria inconsistente com o tratamento equânime de todos os referenciais inerciais na relatividade restrita. Entretanto, se um sinal não local pudesse ser transmitido por meio de medições em locais separados feitas em dois fótons entrelaçados, o sinal seria "enviado" no instante da chegada do fóton em um local e "recebido" no instante da chegada do outro fóton. Variando os comprimentos de caminho até os dois locais, esses eventos poderiam ser feitos ocorrer em qualquer ordem e com qualquer separação temporal em qualquer referencial. Portanto, sinais não locais (mesmo superluminais e retrocausais) não poderiam ser usados para estabelecer uma relação fixa de simultaneidade entre dois pontos separados do espaço-tempo, porque o envio e a recepção desses sinais não têm relações temporais fixas. Os instantes de transmissão e de chegada de um sinal não local não podem ser usados para sincronização, porque os instantes de transmissão e de recepção são variáveis que dependem do caminho e do atraso. Dito de outro modo, as conexões não locais de fótons entrelaçados ficam ao longo de linhas de universo do tipo luz, segmentadas, que se transformam corretamente sob as transformações de Lorentz. Portanto, não há conflito entre a sinalização não local e a invariância de Lorentz da relatividade restrita. Por outro lado, o princípio da causalidade (a causa deve preceder o efeito em todos os referenciais) parece muito provavelmente violado (ou pelo menos violável) se a sinalização não local for possível. É possível que o universo tenha algum referencial preferencial, talvez o estabelecido pela radiação cósmica de fundo em micro-ondas ou implicado pelo Princípio de Mach? Talvez, mas, se tal referencial preferencial existisse, sua existência não poderia ser estabelecida pela comunicação não local. IV. Entrelaçamento no domínio do momento e experimentos EPR A objeção original de Einstein (Referência 4) de que a mecânica quântica parecia ser não local foi feita com argumentos baseados num experimento mental no domínio do momento. No entanto, quase todos os experimentos EPR modernos que testam a desigualdade de Bell e demonstram a não localidade quântica foram realizados no domínio da polarização (isto é, do momento angular), em geral com fótons polarizados linearmente. Curiosamente, parece que, se a comunicação quântica não local for possível, ela pode ser mais facilmente obtida no domínio do momento, o foco original de Einstein. O processo óptico de conversão paramétrica descendente espontânea (Referência 15) revela-se uma maneira muito útil de gerar pares de fótons entrelaçados nos domínios da polarização ou do momento. Nesse processo, um fóton de um "laser de bombeamento" NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 5

Nota editorial: Seção III (não localidade e relatividade restrita) e início da Seção IV (entrelaçamento no domínio do momento).

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UNCLASSIFIED// POil OFFI@IAk W&i 0NL¥ III. Nonlocality Versus Special Relativity? If nonlocal communication is possible, would it be in conflict with special relativity, with its well-known prohibition against faster-than-light signals? The answer is no. The prohibition of signals with superluminal speeds by Einstein's theory of special relativity is related to the fact that the definite simultaneity of two separated space­ time points is not Lorentz invariant. Since some hypothetical superluminal signal could be used to establish a fixed simultaneity relation between two such points-for example, by clock synchronization-this would imply a preferred inertial frame and would be inconsistent with Lorentz invariance and special relativity. In other words, it would be inconsistent with the even-handed treatment of all inertial reference frames in special relativity. However, if a nonlocal signal could be transmitted through measurements at separated locations performed on two entangled photons, the signal would be "sent" at the time of the arrival of the photon in one location and "received" at the time of arrival of the other photon. By varying path lengths to the two locations, these events could be made to occur in any order and time separation in any reference frame. Therefore, nonlocal signals (even superluminal and retrocausal ones) could not be used to establish a fixed simultaneity relation between two separated space-time points, because the sending and receiving of such signals do not have fixed time relations. The transmission and arrival instants of a nonlocal signal cannot be used for synchronization because the transmission and reception instants are path- and delay-dependent variables. To put it another way, the nonlocal connections of entangled photons lie along segmented lightlike world lines that transform properly under Lorentz transformations. Therefore, there is no conflict between nonlocal signaling and the Lorentz invariance of special relativ ity. On the other hand, the principle of causality (cause must precede effect in all refere nce frames) appears very likely to be violated (or at least violate­ able) if nonlocal signaling is possible. Is it possible that the universe does have some preferred reference frame, perhaps that laid down by the cosmic microwave background or implied by Mach's Principle? Perhaps, but if such a preferred frame existed, its existence could not be established by nonlocal communication. IV. Momentum Domain Entanglement and EPR Experiments Einstein's original objection (Reference 4) that quantum mechanics appeared to be nonlocal was made with arguments based on a gedankenexperiment in the momentum domain. However, almost all of the modern EPR experiments testing the Bell Inequality and demonstrating quantum nonlocality have been performed in the polarization (that is, angular momentum) domain, usually with linearly polarized photons. Interestingly, it appears that if nonlocal quantum communication is possible at all, it may be more easily achieved in the momentum domain of Einstein's original focus. The optical process of spontaneous parametric down-conversion (Reference 15) turns out to be a very useful way of generating photon pairs entangled in either the polarization or the momentum domains. In this process, a photon from a "pump laser" UNCLASSIFIED/ /FOil OFFI&I.t.k W&li ONkY 5

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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL interage com um cristal não linear e é transformado em dois fótons com energias e momentos vetoriais que somam os do fóton de bombeamento original. Dependendo do tipo de processo de conversão descendente, há correlações de polarização bem definidas entre os fótons entrelaçados. Os fótons convertidos também podem ser facilmente preparados em estados entrelaçados no momento, porque, dentro do meio não linear, os momentos vetoriais do par de fótons convertidos devem somar o do fóton de bombeamento. A primeira medição com fótons de conversão descendente entrelaçados no momento que pode estar relacionada à comunicação não local é o experimento de Interferência Fantasma (Ghost Interference) relatado em 1995 pelo grupo de Shih (Referência 16), mostrado esquematicamente na Figura 2. Os experimentadores usaram conversão descendente colinear degenerada do Tipo II de radiação de bombeamento ultravioleta de 351 nm, de um laser de íons de argônio, passada por um cristal de BBO (β-BaB2O4) de 3 mm de comprimento, cortado com o eixo óptico num ângulo de casamento de fase de 42,2° em relação ao feixe de bombeamento, para produzir um par de fótons colineares de 702 nm, entrelaçados no momento e com polarizações opostas. Os fótons entrelaçados emergem do cristal muito próximos do paralelismo com o feixe de bombeamento. O feixe de bombeamento é então separado do par por refração num prisma de quartzo (Prisma UV), e os fótons entrelaçados são separados por um divisor de feixe seletivo de polarização (BS) que reflete o fóton "extraordinário" polarizado verticalmente (e) e transmite o fóton "ordinário" polarizado horizontalmente (o). Ambos os fótons passam por filtros seletivos de comprimento de onda de 702 ± 10 nm (f1,2) e são então detectados (D1,2). [Figura 2: rótulos do esquema: prisma UV; BBO; 351 nm; laser de Ar; BS; fendas; e; o; f1; f2; D1; D2; X2; fibra; Gating (disparo); N2 com disparo.] Figura 2. Esquema do experimento de Interferência Fantasma de 1995 (Referência 16), do grupo de Shih NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 6

Nota editorial: Descrição do experimento de Interferência Fantasma de 1995 e a Figura 2, seu esquema.

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UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFl@IAL l!ISE 8PU::Y interacts with a nonlinear crystal and is transformed into two photons with energies and vector momenta that add up to those of the original pump photon. Depending on the type of down-conversion process, there are well-defined polarization correlations between the entangled photons. The down-converted photons may also be easily prepared in momentum -entangled states, because within the nonlinear medium, the vector momenta of the down-converted pair of photons must add to give that of the pump photon. The first measurement using momentum-entangled down-conversion photons that might be related to nonlocal communication is the Ghost Interference experiment reported in 1995 by the Shih group (Reference 16), shown schematically in Figure 2. The experimenters used degenerate collinear Type-II down-conversion of 351-nm UV pump radiation from an argon-ion laser passed through a 3- mm-long BBO (f3-BaB2Q4) crystal that 0had been cut with the optic axis at a phase-matching angle of 42.2° to the pump beam to produce a pair of collinear momentum-entangled 702-nm photons with opposite polarizations. The entangled photons emerge from the crystal very nearly parallel with the pump beam. The pump beam is then split off from the pair using refraction in a quartz prism (UV Prism), and the entangled photons are separated with a polarization-selecting beam splitter (BS) that reflects the "extraordinary" vertically polarized photon (e) and Figure 2. Schematic of the 1995 Ghost Interference transmits the "ordinary" horizontally Experiment (Reference 16) of the Shih group polarized photon (o) . Both photons are passed through 702 ± 10-nm wavelength-selective filters (f1,2) and then detected (D1,2). 351 nm Ar Laser BS f Slits 1 fiber Gating Gated UNCLASSIFIED/ /FOR. OFFICIJ!IL U:!~ Gilt I 6

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TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Os experimentadores demonstraram que fazer o fóton polarizado verticalmente (e) passar por um sistema de fenda dupla ou de fenda simples antes da detecção em D1 produzia, respectivamente, uma distribuição de interferência em "pente" ou uma distribuição de difração em "calombo" na posição X2 do fóton polarizado horizontalmente (o) detectado em D2, quando o par de fótons é examinado em coincidência. Em outras palavras, a distribuição de posição do fóton que segue em linha reta mostra padrões característicos do sistema de fenda simples ou dupla pelo qual passou o seu gêmeo entrelaçado. A Figura 3 mostra as distribuições de posição observadas nos dois casos. Do ponto de vista da comunicação não local, observamos que modificar o sistema de fendas antes de D1, pelo qual passa o fóton refletido, o que pode ser pensado como a ação de um observador "emissor", causa de modo não local uma mudança observável na distribuição de posição em X2 do fóton não desviado, detectada por um observador "receptor" em D2. Este é um efeito não clássico que demonstra a conexão não local entre o par entrelaçado e que poderia formar a base da transmissão de um sinal não local entre os dois observadores. No entanto, o experimento de Interferência Fantasma, na forma relatada, não demonstra comunicação não local, por usar um enlace de comunicação clássico para impor o requisito de coincidência entre os fótons detectados. Em seu artigo, os autores comentam que, com o sistema de fenda dupla instalado, na ausência de coincidências não há padrão de interferência de fenda dupla observável nas distribuições em D1 nem em D2. Eles atribuem essa falta de "sinal" de interferência à variação horizontal da posição de criação dos fótons de conversão descendente. A variação é suficiente para fazer os fótons "e" chegarem às duas fendas com comprimentos de caminho relativos que podem diferir em mais de um comprimento de onda, deslocando assim aleatoriamente e apagando qualquer padrão de interferência. Além disso, a fonte de fótons entrelaçados deles era muito ineficiente e ruidosa. Apenas cerca de 1 em 10^10 fótons de bombeamento produzia um par entrelaçado, enquanto muitos fótons de "ruído" não entrelaçados do mesmo comprimento de onda eram criados por fluorescência no cristal. Portanto, mesmo que o requisito de coincidência pudesse em princípio ser removido (ver adiante), não surpreende que as coincidências fossem necessárias para observar os efeitos relatados. [Figura 3: dois gráficos de contagens coincidentes em função da posição do detector 2 (mm): (a) duas fendas; (b) uma fenda.] Figura 3. Distribuições de posição da Interferência Fantasma em X2 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 7

Nota editorial: Resultados do experimento de 1995 (Figura 3) e por que ele não demonstra comunicação não local.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAL l!IS! 8HLY The experimenters demonstrated that 300 passing the vertically polar ized photon (e) through a double- or single-s lit "' 250 system before detection at D1 produced a "comb" inter ference distribut ion or a C: ::, 0 0 Ql 200 "bump" diffraction distribution, respectively, in the position X2 of the (.) C: Ql 'C ·.:; 150 100 horizontally polarized photon (o) detected at D2 when the pair of photons C: ·5 0 so is examined in coincidence. I n other words, the posit ion distr ibution of the straight-through photon shows patterns ·8 ·6 ·4 ·2 0 2 4 Detector 2 position (mm) characterist ic of the single- or doub le­ slit system through which its tw in entangled photon passed. Figure 3 shows the observed position distributions for the two cases. From the viewpoint of nonlocal commun ication, we note that modifying the slit system before D1 through which the reflected photon passes, which can be though t of as the action of a ·8 ·4 ·2 0 2 4 "sending" observer, nonlocally causes Detector 2 position (mm) an observable change in the Xrpos ition distribution of the undeflected photon, Figure 3. Ghost Interference Position Distributions as detected by a " receiv ing" observer at at x, D2. This is a nonclassical effect t hat demonstrates the nonlocal connection between the entangled pair and that might form the basis for transmiss ion of a nonlocal signal between the two observers. However, the Ghost Interference exper iment does not, in the form reported, demo nstrate nonlocal commun ication, because of its use of a classical communication link in impos ing the coincidence requirement between the detected photo ns. In their paper, the authors comment that with the two-slit system in place, in t he absence of coincidences there is no observable two-slit interference pattern dist ribut ions at either D1 or D2. They attribute this lack of an interference "signal" to the horizontal variation in the creation posit ion of the down-converted photons . The variation is enough to cause the "e" photons to arrive at the two slits with relative path lengths that may differ by more than a wavelength, t hereby randomly shift ing and washing out any interfere nce pattern. Furthermore, their source of entangled photons was very ineff icient and noisy. Only about 1 in 1010 pump photons produced an entangled pair, while many unentang led "noise" photons of the same wavelength were created by fluorescence in the crystal. Therefore, even if the coincidence requirement had been in princ iple removable (see below), it is not surpris ing that coincidences were required to observe the reported effects . 0 L__,=..J.----'--~__J_~-----'---~-'--~...,__~ ~ '---' (a) Two slits "' C: ::, 0 0 a, 0 C: Ql ~ C: ·o 0 500 (b) One slit 400 300 200 100 UNCLASSIFIED/ ,'FOR. 8fflE!IJltL U:!E fJHL I 7

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TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 4, painel a): bombeamento; diagrama do arranjo desdobrado.] Figura 4. "Desdobramento" do experimento de Interferência Fantasma Os autores apontam que há uma maneira simples de pensar sobre as medições de entrelaçamento de momento que envolvem fótons entrelaçados. Pode-se mostrar, a partir da Lei de Snell e da conservação do momento no cristal, que, se um fóton tem um pequeno momento que faz com que seja ligeiramente desviado para a direita do feixe de bombeamento por um ângulo θ, então o fóton gêmeo entrelaçado será desviado para a esquerda pelo mesmo ângulo θ, situação que lembra a reflexão em um espelho. Isso permite "desdobrar" o experimento, substituindo a reflexão efetiva por um caminho em linha reta, como mostra a Figura 4. O sentido do desdobramento é que os fótons entrelaçados se comportam exatamente como seria o caso se a direção do fóton desviado fosse invertida, de modo que ele se originasse no ponto de detecção D1, passasse por uma ou duas fendas em C e D e produzisse um padrão de interferência de uma ou duas fendas em X2, detectado por D2. Por que a coincidência é necessária? Primeiro, deve ficar claro, pela Figura 2, que o detector D2 detecta não apenas os gêmeos entrelaçados dos fótons que passam pelas aberturas das fendas, mas também os gêmeos entrelaçados do número muito maior de fótons que são barrados pelas partes opacas das fendas. Portanto, sem coincidências, nenhum padrão de interferência poderia ser observado em X2. Além disso, vê-se pela Figura 4b que o detector D1 atrás das fendas recebe luz numa região muito localizada e que, se ele fosse movido verticalmente no diagrama, o padrão de interferência em D2 seria deslocado, com os máximos virando mínimos e vice-versa. Sem coincidências que exijam uma localização particular para a detecção em D1, a distribuição em D2 teria de ser uma média sobre todas as posições possíveis de D1, apagando o padrão de interferência de fenda dupla. Portanto, por causa da geometria usada, o experimento de Interferência Fantasma exigia uma coincidência para observar um padrão de interferência de fenda dupla como o mostrado na Figura 3a. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 8

Nota editorial: Figura 4 ("desdobramento" do experimento) e explicação de por que a coincidência era necessária.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl&IAk W&li 8NL¥ a) Pump Figure 4. "Unfolding" the Ghost Interference Experiment The authors point out that there is a simple way of thinking about momentum­ entanglement measurements involving entangled photons. It can be shown from Snell's Law and conservation of momentum in the crystal that if one photon has a small momentum that causes it to be slightly deflected to the right of the pump beam by an angle 0, then the twin entangled photon will be deflected to the left by the same angle 0, a situation reminiscent of reflection from a mirror. This allows the experiment to be "unfolded" by replacing the effective reflection by a straight-through path, as shown in Figure 4. The point of the unfolding is that the entangled photons behave exactly as would be the case if the direction of the deflected photon was reversed, so that it originated at the detection point D1, passed through one or two slits at C and D, and produced a one or two slit interference pattern at X2 detected by D2. Why is the coincidence needed? First, it should be clear from Figure 2 that detector D2 detects not only the entangled twins of the photons that pass through the slit openings, but also the entangled twins of the much larger number of photons that are stopped by the opaque parts of the slits . Therefore, without coincidences, no interference pattern could possibly be observed at X2, Moreover, one can see from Figure 4b that detector D1 behind the slits receives light in a very localized region, and if it were moved vertically in the diagram, the interference pattern at D2 would be shifted, with maxima becoming minima and vice versa. Without coincidences requiring a particular location for the detection at D1, the D2 distribution would have to average over all possible D1 positions, washing out the two-slit interference pattern. Therefore, because of the geometry used, the Ghost Interference experiment required a coincidence to observe a two-slit interference pattern like the one shown in Figure 3a. UNCLASSIFIED/ /POil orr1e1Jct U91! er~t I 8

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TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Outro experimento EPR com entrelaçamento de momento foi a tese de doutorado de Birgit Dopfer, de 1998 (Referência 17), realizada na Universidade de Innsbruck e mostrada esquematicamente na Figura 5. No experimento de Dopfer, mover um detector em um braço altera de modo não local o padrão de interferência observado no outro braço. Dopfer usou radiação de bombeamento ultravioleta de 351 nm de um laser de íons de argônio, com conversão descendente do Tipo I num cristal não linear de LiIO3 cortado com o eixo óptico a 90° em relação ao feixe de bombeamento, para produzir um par de fótons de 702 nm entrelaçados no momento, que emergiam do cristal em ângulos de 28,2° à direita e à esquerda do eixo de bombeamento, como mostra a Figura 5. [Figura 5: rótulos do esquema: 2f; 702,2 nm; 2f; f; coincidência.] Figura 5. Esquema do experimento de Dopfer de 1998 (Referência 17) O fóton entrelaçado inferior passava por um par de fendas e entrava em um detector, enquanto o fóton superior passava por uma lente que podia formar a imagem das duas fendas para realizar uma medição de "qual caminho" se o detector D2 fosse colocado a duas distâncias focais atrás da lente (2f). Entretanto, se o detector D2 fosse colocado a uma distância focal atrás da lente (f), as fendas não eram imageadas, e a luz na linha refletida que passava por qualquer uma das fendas podia chegar ao detector nos mesmos pontos, produzindo um resultado semelhante ao do experimento de Interferência Fantasma. Um padrão estruturado de interferência de fenda dupla podia ser ligado e desligado movendo um detector no outro braço do experimento entre as posições f e 2f. Novamente, do ponto de vista da comunicação não local, observa-se que mover o detector D2, o que pode ser pensado como a ação de um observador "emissor", causa de modo não local uma mudança observável na distribuição de posição do segundo fóton, detectado na posição "receptora" D1. No entanto, o experimento de Dopfer não demonstra comunicação não local porque, como o de Interferência Fantasma, exige um enlace de comunicação clássico para impor o requisito de coincidência entre os fótons detectados, por causa da geometria do experimento. O exame desses dois experimentos levanta uma questão muito interessante: o requisito de coincidência pode ser removido? A resposta não é clara. Em princípio, os dois fótons entrelaçados estão ligados pela não localidade, sejam detectados em coincidência ou não. A coincidência deveria, portanto, ser removível. Entretanto, nos dois experimentos os autores relatam que nenhuma distribuição de interferência de fenda dupla é observada NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 9

Nota editorial: O experimento de Dopfer de 1998 (Figura 5) e a pergunta sobre remover o requisito de coincidência.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAI! WSE OHi!:¥ Another momentum-entangled EPR experiment was the 1998 Ph.D. thesis of Birgit Dopfer (Reference 17) performed at the University of Innsbruck and shown schematically in Figure 5. In the Dopfer experiment, moving a detector in one arm non locally changes the observed interference pattern in the other arm. Dopfer used 351-nm UV pump radiation from an argon -ion laser with Type I down-conversion in a nonlinear Lil03 crystal cut with the optic axis at 90° to the pump beam to produce a pair of 702-nm momentum-entangled photons that emerged from the crystal at angles of 28.2° to the right and left of the pump axis, as shown in Figure 5. Figure 5. Schematic of the 1998 Dopfer Experiment (Reference 17) The lower entangled photon passed through a pair of slits and into a detector, while the upper photon passed through a lens that could image the two slits to perform a "which­ way" measurement if detector D2 was placed two focal lengths behind the lens (2f). However, if detector D2 was placed in a position one focal length behind the lens (f), the slits were not imaged, and light on the reflected line passing through either slit could reach the detector at the same points, producing a result similar to that of the Ghost Interference experiment. A structured two-sl it interference pattern could be switched on and off by moving a detector in the other arm of the experiment between the f and 2f positions. Again, from the viewpoint of nonlocal communication, it is noted that moving detector D2, which can be thought of as the action of a "sending" observer, nonlocally causes an observable change in the position distribution of the second photon, as detected at "receiver" position D1. However, the Dopfer experiment does not demonstrate nonlocal communication because, like the Ghost Interference experiment, it requires a classical communication link to impose the coincidence requirement between the detected photons because of the geometry of the experiment. Examination of these two exper iments raises a very interesting quest ion: Can the coincidence requirement be removed? The answer is not clear. In principle, the two entangled photons are connected by nonlocality whether they are detected in coincidence or not. The coincidence should therefore be removable. However, in both experiments the authors report that no two -slit interference distr ibution is observed 2f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 702.2 nm 2f ~ ~.... .. . . .. .. ... . . . . . .... .. ........ . . ♦ - .. . ... . ........ . f Coincidence UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI&il.t.l:: W&lii OHi!:¥ 9

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TRECHO 8 · PÁGINA FÍSICA 16

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL quando o requisito de coincidência é relaxado. Isso pode ser explicado pela ação da complementaridade entre coerência e entrelaçamento, discutida na próxima seção. V. Complementaridade entre coerência e entrelaçamento Como discutido acima, espera-se que a extensão finita da fonte limite a possibilidade de observar um padrão de interferência de fenda dupla, que seria o "sinal" se a comunicação não local fosse possível. A Figura 6 mostra esquematicamente (fora de escala) esse efeito de "fonte espessa". O volume da fonte, à esquerda, é a região do cristal não linear iluminada pelo feixe do laser de bombeamento ultravioleta dirigido ao longo do eixo u. O volume da fonte é um cilindro com alguns mm de espessura e cerca de 1 mm de raio, com um ponto central C. Supõe-se que o cilindro da fonte esteja inclinado de um ângulo θ em relação ao eixo horizontal z, no qual o sistema de fendas e o plano do detector estão centrados simetricamente. Note-se que θ = 0° no experimento de Interferência Fantasma e θ = 28,2° no experimento de Dopfer. A uma distância horizontal Lxs da fonte há um sistema de duas fendas, um par de aberturas a com separação d entre centros. A luz que passa pelo sistema de fendas percorre uma distância horizontal Lsd e é detectada no plano do detector, na posição x1. [Figura 6: rótulos: eixos x, z, u, v; pontos A, B, C; ângulo θ; distâncias Lxs e Lsd; aberturas a, separação d; ponto P; volume da fonte; sistema de fendas; plano do detector; posição x1.] Figura 6. Efeito de fonte espessa (fora de escala): ondas que chegam às duas fendas a partir dos pontos A e B, nos extremos do volume da fonte, podem ter diferenças significativas de comprimento de caminho e de fase, enquanto as ondas do ponto central C estão em fase nas fendas. Se o ponto de produção do fóton está fora do eixo z, haverá uma diferença de comprimento de caminho entre as ondas, em relação a C, ao chegarem às duas fendas. Na Figura 6, ondas dos pontos A e B poderiam ter diferenças de comprimento de caminho maiores que meio comprimento de onda e diferenças de fase maiores que 180°. Em linhas gerais, isso desloca o padrão de interferência em relação às ondas criadas no ponto central C, de modo que máximos viram mínimos e vice-versa. O efeito líquido da média sobre todos os pontos do volume da fonte seria, portanto, apagar o padrão de interferência de fenda dupla. Esse padrão de interferência de fenda dupla tem de ser observado sem ambiguidade, porque é o "sinal" que seria usado em qualquer comunicação não local. Essa operabilidade é quantificada por um observável chamado "visibilidade", relacionado à razão pico-vale do padrão de interferência. A constância da fase relativa nas duas fendas para fótons que chegam de várias partes da fonte é chamada de "coerência" e garante alta visibilidade. Deve ficar claro que uma fonte pontual tem coerência perfeita, enquanto uma fonte com grande ângulo sólido, vista a partir NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 10

Nota editorial: Seção V: complementaridade entre coerência e entrelaçamento e a Figura 6, efeito de fonte espessa.

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B Source Slit Detector UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL tt.!I!! 8HL'f when the coincidence requirement is relaxed. This may be explained by the action of coherence-entanglement complementarity, as discussed in the next section. V. Coherence-Entanglement Complementarity As discussed above, the finite extent of the source is expected to limit the possibility of observing a two-slit interference pattern, which would be the "signal" if nonlocal commun ication were possible. Figure 6 shows schematically (not to scale) this "thick source" effect. The source volume on the left is the region of the nonlinear crystal that is illuminated by the UV pump-laser beam directed along the u axis. The source volume is a cylinder a few mm thick and a mm or so in radius with a center point C. The source cylinder is assumed to be tilted at an angle 0 with respect to the horizontal z axis on which the slit system and detector plane are symmetrically centered. We note that 0 = 0° in the Ghost Interference experiment and 0 = 28.2° in the Dopfer experiment. A horizontal distance Lxs away from the source is a two-slit system, a pair of apertures a with center-to-center separation d. Light passing through the slit system travels a horizontal distance Lsd and is detected at detector plane at position x,. System PlaneVolume Figure 6. Thick-Source Effect (not to scale): Waves arriv ing at the two slits from points A and B at the extrema of the source volume may have significant path length and phase differences, while waves from the central point C are in phase at the slits. If the point of photon production is off the z axis, there will be a path length difference between waves relative to C as they arrive at the two slits . In Figure 6, waves from points A and B could have path length differences greater that half a wavelength and phase differences greater than 180°. Roughly speaking, this shifts the interference pattern relative to waves created at central point C so that maxima become minima and vice versa. The net effect of averaging over all points in the source volume would therefore be to wash out the two-slit interference pattern. That two-slit interference pattern must be observed unambiguously, because it is the "signal" that would be used in any nonlocal communication. This operability is quantified by an observable called "visibility," which is related to the peak-to-valley ratio of the interference pattern. The constancy of the relative phase at the two slits for photons arriving from various parts of the source is called "coherence" and ensures a high visibility. It should be clear that a point-like source has perfect coherence, while a source with a large solid angle as UNCLASSIFIED/ ,,roA &FFISIAL 1:181! 8HL'I" 10

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TRECHO 9 · PÁGINA FÍSICA 17

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL das fendas, terá coerência reduzida. A diferença de comprimento de caminho nas fendas é, em boa aproximação, inversamente proporcional a Lxs. Portanto, tornar Lxs grande, isto é, colocar as fendas a alguma distância do volume da fonte, pode reduzir as diferenças de comprimento de caminho a um valor que aumenta a coerência e permite observar um padrão nítido de interferência de fenda dupla, o "sinal", no detector D1. Alternativamente, colocar uma lente divergente fina, duplamente côncava, no ponto P da Figura 6 pode ter o mesmo efeito, fazendo os caminhos mais curtos passarem por uma espessura maior de vidro da lente. Essa lente também desmagnificaria a fonte, produzindo o equivalente a um caminho mais longo e a um ângulo sólido menor da fonte. No entanto, aumentar a coerência da fonte tem outra consequência. O entrelaçamento de momento dos fótons da fonte decorre da conservação do momento. Restringir o ângulo sólido da fonte, visto das fendas, significa que menos pares de fótons podem ser entrelaçados e ainda satisfazer os vínculos geométricos da configuração experimental. O grupo de Saleh, na Boston University, mostrou que há uma relação de complementaridade entre a coerência da fonte e o entrelaçamento de dois fótons (Referência 18). À medida que a distância fonte-fendas Lxs aumenta, há transições suaves de padrões de interferência de uma fenda para duas fendas e de uma fonte altamente entrelaçada para uma fonte altamente coerente. Note-se, como mencionado acima, que a tecnologia de conversão paramétrica descendente usada nos experimentos de Interferência Fantasma e de Dopfer era bastante ineficiente e ruidosa, com a produção bastante improvável de pares entrelaçados competindo com a produção muito mais provável de fótons de "ruído" não entrelaçados, do mesmo comprimento de onda, por fluorescência induzida pelo bombeamento no cristal. Isso tenderia a limitar o entrelaçamento da fonte. A comunicação não local com entrelaçamento de momento exige coerência da fonte. A coerência da fonte é necessária para observar o "sinal" de um padrão de interferência de fenda dupla, e o entrelaçamento de dois fótons é necessário para que uma medição de um dos fótons se "conecte" com o padrão de interferência produzido pelo outro fóton. Onde há coerência sem entrelaçamento, ou entrelaçamento sem coerência, a comunicação não local com fótons entrelaçados no momento não é possível. Uma questão não resolvida, que exige mais consideração teórica e testes experimentais, é se existe um "ponto ideal" no projeto experimental que abarque coerência parcial e entrelaçamento parcial e que permita a transmissão de sinais não locais. VI. Comunicação não local versus sinalização A possibilidade de comunicação não local é uma questão não resolvida. É talvez provável que o compromisso entre coerência e entrelaçamento seja a maneira de a natureza impedir a sinalização não local, mas isso não foi demonstrado. Nesta seção, supomos que a sinalização não local seja possível e examinaremos suas implicações. Como se verá, elas são tão abrangentes que poderiam ser tomadas como forte indício de que a natureza não permitiria tais coisas e, portanto, a sinalização não local deve ser impossível. A Figura 7 mostra uma variação do experimento de Interferência Fantasma (Referência 16) em que a técnica de imageamento de fendas do experimento de Dopfer (Referência 17) é usada para garantir que os pares de fótons entrelaçados que passam pelas fendas cheguem a ambos os detectores e que os interceptados pelas regiões opacas das fendas não cheguem a nenhum dos dois. Em particular, uma lente de distância focal f é colocada no caminho após o cristal BBO e antes do divisor de polarização, de modo que ambos os fótons entrelaçados passem por essa lente. Um par de fendas S1 é colocado a uma distância de caminho f além da lente, no caminho dos fótons "o", NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 11

Nota editorial: Conclusão da Seção V e início da Seção VI: o compromisso entre coerência e entrelaçamento e o arranjo proposto sem coincidências.

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UNCLASSIFIED/ /FOR [email protected] WSE 8Hk¥ viewed from the slits will have reduced coherence. The path length difference at the slits is, to a good approximation, inversely proportional to Lxs, Therefore, making Lxs large-that is, placing the slits some distance from the source volume-can reduce the path length differences to a value that increases coherence and allows observation of a sharp two-slit interference pattern signal at detector D1. Alternatively, placing a thin, double-concave diverging lens at point P of Figure 6 can have the same effect by causing the shorter path lengths to pass through a greater thickness of lens glass. Such a lens would also demagnify the source, producing the equivalent of a longer path length and smaller source solid angle. However, increasing source coherence has another consequence. The momentum entanglement of photons from the source arises from momentum conservation. Restricting the solid angle of the source, as viewed from the slits, means fewer photon pairs can be entangled and still satisfy the geometrical constraints of the experimental configuration. The Saleh group at Boston University has shown that there is a complementary relation between source coherence and two-photon entanglement (Reference 18). As the source-slit distance Lxs is increased, there are smooth transitions from one-slit to two-slit interference patterns and from a highly entangled source to a highly coherent source. We note, as mentioned above, that the parametric down­ conversion technology used in the Ghost Interference and Dopfer experiments was fairly inefficient and noisy, with fairly improbable production of entangled pairs competing with much more probable production of unentangled "noise" photons of the same wavelength from pumped fluorescence in the crystal. This would tend to limit the entanglement of the source. Nonlocal communication using momentum entanglement requires source coherence. Source coherence is needed in order to observe the "signal" of a two-slit interference pattern and two-photon entanglement so that a measurement of one of the photons "connects" with the interference pattern produced by the other photon. Where there is coherence without entanglement or entanglement without coherence, nonlocal communication with momentum-entangled photons is not possible. An unresolved issue that requires further theoretical consideration and experimental testing is whether there is a "sweet spot" in the experimental design that embraces both partial coherence and partial entanglement and that permits the transmission of nonlocal signals. VI. Nonlocal Communication Versus Signaling The possibility of nonlocal communication is an unresolved issue. It is perhaps likely that the coherence-versus-entanglement tradeoff is nature's way of preventing nonlocal signaling, but that has not been demonstrated. In this section, we assume that nonlocal signaling is possible and will examine its implications. As will be seen, they are so far reaching that they could be taken as a strong indication that nature would not allow such things and therefore nonlocal signaling must be impossible. Figure 7 shows a variation of the Ghost Interference experiment (Reference 16) in which the slit-imaging technique of the Dopfer experiment (Reference 17) is used to ensure that entangled photon pairs passing through slits reach both detectors, and that those intercepted by the opaque regions of the slits reach neither detector. In particular, a lens of focal length f is placed in the path alter the BBO crystal and before the polarization splitter so that both entangled photons pass through this lens. A pair of slits S1 is placed at a path distance f beyond the lens in the path of the "o" photons, UNCLASSIFIED/ /f81l Offl@IAL WSIE 8HLY 11

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TRECHO 10 · PÁGINA FÍSICA 18

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL que são polarizados linearmente na horizontal (HLP) e transmitidos pelo divisor. Como Dopfer mostrou, por causa do entrelaçamento de momento, será formada uma imagem do sistema de fendas S1 pelos fótons "e", polarizados linearmente na vertical (VLP), a um comprimento de caminho f além da lente, no caminho desviado, na posição S2, onde fica um par de fendas de "limpeza" que deixam passar apenas os fótons cujos gêmeos entrelaçados passaram por S1. Note-se que, por causa da geometria óptica, esse imageamento ocorre mesmo para ondas que passam pelos dois pontos da imagem e acabam interferindo. [Figura 7: rótulos do esquema: BBO; VLP; 351 nm; laser de íons de argônio; lente biconvexa, distância focal = f; filtro passa-IR; divisor de polarização; HLP 702 nm; VLP 702 nm; fendas-imagem (caminho até a lente = f); S2; chave; D; C; fendas-objeto (caminho até a lente = f); S1; câmera; padrões "0" (interferência de duas fendas) e "1" (difração de uma fenda).] Figura 7. Versão sem coincidências, com imageamento de fendas, do experimento de Interferência Fantasma para demonstrar a comunicação não local Na posição da imagem de cada fenda em S2, colocamos uma fibra óptica, como mostrado. As fibras conduzem a luz a uma chave óptica, na qual a luz é enviada diretamente a dois detectores D de fotodiodo de avalanche (fornecendo informação de "qual caminho" sobre qual das fendas S1 o fóton atravessou) ou, alternativamente, é encaminhada a um combinador óptico C, cuja saída em fase é então detectada, de modo que as ondas que passam pelas duas fendas possam contribuir construtivamente para o evento de detecção. Note-se que esse sistema de chaveamento de fibras é o equivalente em fibra óptica de um interferômetro de Mach-Zehnder (Referência 20), no qual se pode ativar e desativar o último espelho semiprateado por chaveamento, de modo que a informação de "qual caminho" possa ser ligada e desligada. (Note-se também que tecnologia semelhante de fibra, combinador e detector poderia ser empregada depois das fendas S1 para NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 12

Nota editorial: Figura 7: arranjo proposto, sem coincidências, para demonstrar comunicação não local, e sua descrição.

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f -,702nm )>-, (0 0 ::J 0 ::J r Q) Cl) (1) UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL ".!l! Grit I which are linearly polarized horizontally (HLP) and are transmitted by the splitter. As Dopfer has shown, because of momentum entanglement, an image of slit system S1 will be formed by the "e" photons linearly polarized vertically (VLP) at a path length f beyond the lens on the deflected path at position S21 where a pair of "cleanup" slits are located that pass only those photons whose entangled twins passed through S1. We note that because of the optical geometry, this imaging occurs even for waves that pass through both of the image points and ultimately interfere. BBO VLP 351 nmDouble Convex Lens - Focal Length = f c::::= :t:::=::::>--.--- Camera "O" u 1 11 Figure 7. Slit-Imaging Coincidence-Free Version of the Ghost Interference Experiment to Demonstrate Nonlocal Communication At the image position of each slit at S2, we place an optical fiber, as shown. The fibers conduct the light to an optical switch, at which the light either is sent directly to two avalanche photodiode detectors D (providing which-way information about which of the S1 slits the photon entered) or alternatively is routed to an optical combiner C, with the in-phase output of the combiner then detected, so that waves passing through both slits can contribute constructively to the detection event. We note that this fiber switching system is the fiber-optic equivalent of a Mach-Zehnder interferometer (Reference 20), in which one can activate and deactivate the last half-silvered mirror by switching, so that which-way information can be switched on and off. (We also note that similar fiber-combiner-detector technology could be employed after the S1 slits to IR Pass FilterVLP 702nmD IR Pass Filter HLP Object Slits Path to Lens =f Image Slits Path to Lens= f s1 UNCLASSIFIED/ /FOA OFFICIO ls: Pili ODIi.¥ 12

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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL determinar a presença ou a ausência de interferência coerente, mas isso não será considerado mais adiante aqui.) Uma câmera CCD resfriada, sensível a nível quântico, é colocada no lugar do detector D1 do experimento de Interferência Fantasma (Referência 11) e ajustada para medir distribuições como as mostradas na Figura 3. No arranjo da Figura 7, comutar o encaminhamento das fibras ópticas pode ser considerado um ato de transmitir um sinal binário 0 ou 1. Se a chave está na posição que leva aos detectores externos, a informação de "qual caminho" está disponível, e o padrão detectado pela câmera deve ser um padrão de difração de fenda simples, rotulado "1" na Figura 7. Se a chave está na posição que leva ao combinador e ao detector do meio, ondas de ambas as fendas contribuem para a detecção, nenhuma informação de "qual caminho" está disponível, e o padrão detectado pela câmera deve ser o padrão de interferência de fenda dupla, rotulado "0" na Figura 7. Se o padrão observado pela câmera puder de fato ser alterado pelo chaveamento do encaminhamento das fibras ópticas, isso constituiria uma demonstração direta de comunicação não local. Essa observação falsificaria os teoremas de impossibilidade de sinalização mencionados acima, que exigem que, num cenário sem coincidência, nenhuma ação sobre um fóton entrelaçado possa produzir um resultado observável "capaz de sinal" na detecção do outro fóton entrelaçado do par. Deve-se enfatizar que demonstrar a comunicação não local com fótons entrelaçados no momento, como descrito acima, não é o mesmo que realmente enviar um sinal. Deve ficar claro que nenhum sinal real pode ser comunicado com um único par de fótons. Somente quando vários fótons são detectados a função de distribuição subjacente pode se tornar aparente. Pode-se estimar que, se as funções de distribuição a distinguir são um padrão "puro" de interferência de fenda dupla modulado por um envelope de difração e um padrão "puro" de difração de fenda dupla, seriam necessárias cerca de 10 detecções de fótons para uma decisão de 3σ entre essas duas possibilidades. Entretanto, como mencionado na seção anterior, é provável que, se a comunicação não local for possível, ela teria de ser realizada numa situação em que se tenha alcançado algum compromisso entre entrelaçamento e coerência, e tal compromisso inevitavelmente tornaria os dois padrões a distinguir mais semelhantes e mais difíceis de separar. Portanto, as 10 detecções de fótons citadas acima devem ser tomadas como um limite inferior bastante otimista, e é provável que um número significativamente maior de detecções (talvez ~100 ou mais) fosse necessário. O tempo necessário para enviar um único bit de informação seria então o produto da taxa de detecção de fótons nos dois braços do experimento pelo número de fótons que devem ser detectados para receber o sinal. Em princípio, essa taxa de transmissão poderia ser melhorada (e o ruído de fluorescência suprimido) por pulsação do laser de bombeamento, de modo que "aglomerados" de fótons entrelaçados fossem recebidos a cada pulso. VII. Uma análise transacional do teste de comunicação não local Usa-se agora a interpretação transacional da mecânica quântica (Referência 19) para analisar o sistema descrito acima. A interpretação transacional descreve a formação de um evento quântico como um processo de três estágios: (1) envio de ondas de "oferta" retardadas (ψ) a partir do(s) local(is) de emissão, (2) respostas de volta no tempo, a partir do(s) local(is) de recepção, de ondas de "confirmação" avançadas (ψ*) e (3) a formação de uma onda estacionária no espaço- NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 13

Nota editorial: Como o teste funcionaria, quantas detecções seriam necessárias e início da análise transacional (Seção VII).

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UNCLASSIFIED/ /FOR [email protected] WSE 8Hk¥ determine the presence or absence of coherent interference, but this will not be considered further here.) A quantum sensitive cooled CCD camera is substituted for detector D1 of the Ghost Interference experiment (Reference 11) and is set to measure distributions like those shown in Figure 3. In the arrangement in Figure 7, switching the optical fiber routing can be considered an act of transmitting a binary O or 1 signal. If the switch is in the position leading to the outer detectors, then which-way information is available, and the pattern detected by the camera should be a single-slit diffraction pattern labeled "l" in Figure 7. If the switch is in the position leading to the combiner and middle detector, waves from both slits contribute to the detection, no which-way information is available, and the pattern detected by the camera should be the two-slit interference pattern labeled "0" in Figure 7. If the pattern observed by the camera can indeed be changed by switching the optical fiber routing, then this would constitute a direct demonstration on nonlocal communication. Such an observation would falsify the no-signal theorems mentioned above, which require that in a noncoincidence scenario, no action on one entangled photon can produce a "signal-capable" observable result at the detection of the other entangled photon of the pair. It should be emphasized that demonstrating nonlocal communication with momentum­ entangled photons, as described above, is not the same as actually sending a signal. It should be clear that no rea l signal can be communicated with a single photon pair. Only when multiple photons are detected can the underlying distribution function become apparent. One can estimate that if the distribution functions to be distinguished are a "pure" two-slit interference pattern modulated by a diffraction envelope and a "pure" two-slit diffraction pattern, then about 10 photon detections would be required for a 3cr decision between these two possibilities. However, as mentioned in the previous section, it is likely that if nonlocal communication is possible at all, it would have to be accomplished in a situation where some compromise between entanglement and coherence has been achieved, and such a compromise would inevitably cause the two patterns to be distinguished to be more similar and more difficult to separate. Therefore, the 10 photon detections cited above must be taken as a rather optimistic lower limit, and it is likely that a significantly larger number of detections (perhaps ~100 or more) would be required. The time required to send a single bit of information would then be the product of the photon detection rate in the two arms of the experiment times the number of photons that must be detected to receive the signal. In principle, such a transmission rate might be improved (and fluorescence noise suppressed) by pulsing the pump laser, so that "clusters" of entangled photons would be received with each such pulse. VII. A Transactional Analysis of the Nonlocal Communication Test Now the transactional interpretation of quantum mechanics (Reference 19) to analyze the system described above is used. The transactional interpretation describes the formation of a quantum event as a three-stage process: (1) sending retarded "offer" waves ('!') from emission location(s), (2) back-in-time responses from the reception location(s) of advanced "confirmation" waves('!'*), and (3) the formation of a space- UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAk WSI!! 8HL'I" 13

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL As implicações do entrelaçamento e da não localidade quânticos para a comunicação espacial Preparado por: Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) Escritório de Alerta de Defesa Diretoria de Análise Defense Intelligence Agency Autor: AAP Person 76 Nota administrativa AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: não é autorizada a nova divulgação das fotografias desta publicação. Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2009 no âmbito do Programa Advanced Aerospace Weapon System Applications (AAWSA), do Escritório de Alerta de Defesa da Defense Intelligence Agency. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a AAP Person 1, gerente do Programa AAWSA, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL

Nota editorial: Expediente: a Divisão de Apoio à Aquisição (DWO-3) da DIA é a preparadora, o autor aparece como "AAP Person 76" e há aviso sobre fotografias e sobre o Programa AAWSA.

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UNCLASSIFIED/ /P'81t 8P'P'IClilct ~91! 9HLY The Space-Communication Implications of Quantum Entanglement and Nonlocality Prepared by: Acquisition Support Division (DW0-3) Defense Warning Office Directorate for Analysis Defense Intelligence Agency Author: AAP Person 76 Administrative Note COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publication is not author ized. This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009 under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace Weapon System Applications (AAWSA) Program. Comments or questions pertaining to this document should be addressed to !AAP Person 1 LAAWSA Program Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. UNCLASSIFIED//fQA QffiliCiliCL Pl&li QtlL¥

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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL tempo (ψψ*) entre os locais (por exemplo, uma fonte de fótons e um detector de fótons). Após uma troca inicial de ondas de oferta e de confirmação, uma transação particular é selecionada probabilisticamente entre todas as possíveis, com base nos valores de ψψ* das alternativas. A troca de oferta e confirmação continua até que todas as grandezas conservadas (energia, momento, momento angular e assim por diante) tenham sido transferidas. Para o sistema de teste de comunicação não local descrito acima, consideraremos dois casos: • Caso 1: A chave é posicionada de modo que cada fibra proveniente das fendas seja encaminhada a um detector, produzindo uma medição de "qual caminho" da fenda pela qual passou o fóton VLP. Nesse caso, o fóton HLP detectado pela câmera deve ter uma posição registrada que cai numa ampla distribuição de padrão de difração de fenda simples (e não num padrão de interferência de fenda dupla). • Caso 2: A chave é posicionada de modo que a luz das duas fibras seja combinada antes da detecção. Portanto, a detecção não produz informação sobre o caminho do fóton VLP, que poderia ter passado por qualquer uma das fendas. Nesse caso, o fóton HLP detectado pela câmera deve estar numa posição que cai numa distribuição de padrão de interferência de fenda dupla. A Figura 8 mostra a transação que se forma para o sistema de teste de comunicação não local na configuração do Caso 1. Aqui, como no experimento de Interferência Fantasma, tratamos a fonte de cristal não linear de pares entrelaçados como um "refletor" efetivo e representamos os raios com caminhos em linha reta para "desdobrar" o sistema, duplicando a lente para cada fóton e representando o sistema como um imageamento óptico de duas lentes, com raios quase paralelos entre as duas lentes. Os sistemas de fendas S1 e S2 ficam a uma distância focal f das lentes. Supõe-se que o fóton que vai para a esquerda chegue à fenda superior de S2 e seja detectado pelo detector superior (circulado). O fóton que vai para a direita, entrelaçado no momento, deve então ir para S1, que é a imagem óptica de S2, ser difratado pela fenda e detectado pela câmera. Se a Figura 8 fosse invertida verticalmente, ela daria um diagrama semelhante para a chegada, igualmente provável, do fóton que vai para a esquerda à fenda inferior de S2 e a detecção pelo detector inferior. Os três estágios da formação da transação são mostrados. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 14

Nota editorial: Interpretação transacional aplicada aos Casos 1 e 2 do arranjo proposto.

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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI€Ial.k Wiili 8NLY time standing wave (w•) between the locations (for example, a photon source and a photon detector). After an initial exchange of offer and confirmation waves, a particular transaction is selected probabilistically from all that are possible, based on the \Jf\/1* values of the alternatives. The offer/confirmation exchange continues until all the conserved quantities (energy, momentum, angular momentum, and so forth) have been transferred. For the nonlocal communication test system described above, we will consider two cases: • Case 1: The switch is positioned so that each fiber from the slits is routed to one detector, producing a "which-way" measurement of the slit through which the VLP photon passed. In this case, the HLP photon as detected by the camera should have a recorded position that falls on a broad single-slit-diffraction-pattern distribution, (not a two-slit interference pattern). • Case 2: The switch is positioned so that light from the two fibers is combined before detection. Therefore, the detection produces no information on the path of VLP photon, which could have passed through either slit. In this case, the HLP photon detected by the camera should be in a position that falls on a two-slit interference pattern distribution. Figure 8 shows the transaction that forms for the nonlocal communication test system in the Case 1 configuration. Here, as in the Ghost Interference experiment, we have treated the nonlinear crystal source of entangled pairs as an effective "reflector" and have represented the rays with straight-through paths to "unfold" the system, duplicating the lens for each photon and representing the system as two-lens optical imaging, with nearly parallel rays between the two lenses. Slit systems S1 and S2 are located one focal length f away from the lenses. The left-going photon is assumed to arrive at the upper slit of S2 and to be detected by the upper detector (circled). The momentum-entangled right-going photon must then go to S1, which is the optical image of S2, and be diffracted by the slit and detected by the camera. If Figure 8 were vertically inverted, it would provide a similar diagram for the equally probable arrival of the left-going photon at the lower slit of S2 and detect ion by the lower detector. The three stages of transaction formation are shown. UNCLASSIFIED/ /rOR. 0rr1e11et U:!I! OHL I 14

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 8: três diagramas dos estágios da transação, rotulados: ondas de oferta; ondas de confirmação; transação completada; com a câmera e os detectores.] Figura 8. Diagramas da interpretação transacional para o Caso 1. As ondas de oferta que vão para a esquerda passam pela fenda superior de S2 e chegam ao detector superior (circulado). As ondas de oferta que vão para a direita, entrelaçadas no momento, passam apenas pela fenda inferior de S1, que é a imagem óptica da fenda superior de S2, e são difratadas até a câmera. As ondas de confirmação retornam e forma-se a transação de uma fenda. A Figura 9 mostra a transação que se forma para o sistema de teste de comunicação não local na configuração do Caso 2. O fóton que vai para a esquerda passa pelas fendas superior e inferior de S2. Os dois caminhos se ligam a um combinador e são detectados pelo detector central (circulado). O fóton que vai para a direita, entrelaçado no momento, deve então passar também pelas duas fendas de S1, que são as imagens ópticas de S2, para formar um padrão de interferência de fenda dupla detectado pela câmera. Os três estágios da formação da transação são mostrados. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 15

Nota editorial: Figura 8: diagramas da interpretação transacional para o Caso 1, e texto sobre o Caso 2.

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UNCLASSIFIED/ /FOtt 8ffl@IA:L tt.!l! Dflt I Offer Waves RI G) -E RI u RI -G) E RI u G;impleted Transaction Figure 8. Transactional Interpretation Diagrams for Case 1. The left-go ing offer waves pass through the upper slit of 52 and reach the upper detector (circled) . The momentum-entangled right -going offer waves pass only through the lower slit of 51, which is the optical image of upper 52, and are diffracted to the camera. Confirmation waves ret urn, and the one-slit transaction forms . Figure 9 shows t he transaction that forms for the nonlocal communication test system in the Case 2 configuration. The left -going photon passes through bot h the upper and lower slits of S2. The two paths connect to a combiner and are detected by the central detector (circled). The momentum-entangled right-go ing photon must then also pass through both slits of S1, which are the optical images of S2, to form a two-slit interference pattern detected by the camera . The three stages of transaction formation are shown. UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&l.t.k WSE 8,.L'/ 15

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TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 22

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 9: três diagramas dos estágios da transação, rotulados: ondas de oferta; sinal não local; ondas de confirmação; transação completada.] Figura 9. Diagramas da interpretação transacional para o Caso 2. As ondas de oferta que vão para a esquerda passam pelas duas fendas de S2, onde as ondas são combinadas e detectadas pelo detector central (circulado). As ondas de oferta que vão para a direita, entrelaçadas no momento, passam pelas duas fendas de S1, que são as imagens ópticas de S2, e interferem na câmera. As ondas de confirmação retornam e forma-se a transação de duas fendas. Portanto, do ponto de vista da interpretação transacional da mecânica quântica (Referência 19), a conexão não local entre os eventos de detecção nas duas extremidades do experimento surge porque as transações de detecção dos dois fótons entrelaçados devem compartilhar um "aperto de mão de mão dupla" no cristal não linear, condição que só pode ser realizada quando a soma dos momentos vetoriais dos dois fótons é igual à do fóton do laser de bombeamento que os criou. Essa visão explica as observações de Dopfer (Referência 19) e indica que, na ausência de ruído avassalador ou de restrições impostas pela complementaridade entre coerência e entrelaçamento, nenhuma coincidência deveria ser necessária entre os dois detectores do experimento para observar a mudança do padrão observado em D1 quando o detector D2 é movido. Isso continua verdadeiro nas configurações discutidas adiante, quando a fenda S2 é alongada com muitos quilômetros de cabo de transmissão de luz em fibra óptica para possibilitar a transmissão de sinais superluminais e retrocausais. Em outras palavras, a análise do sistema de teste de comunicação não local com a interpretação transacional não revela nenhum aspecto "impeditivo" que impediria a transmissão de sinais superluminais e retrocausais. A interpretação transacional é neutra quanto à possibilidade de tais sinais. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 16

Nota editorial: Figura 9 (Caso 2) e conclusão da análise transacional.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAI! WSE OHi!:¥ Offer Waves Non&r-r ei,naI Confirmah.on Waves ca... G) E ca u Comple12d Transaction Figure 9. Transactional Interpretation Diagrams for Case 2, The left -going offer waves pass through both slits of S2, where the waves are combined and detected by the center detector (circled) . The momentum-entangled right -going offer waves pass through the both slits of S1, which are the optical images of S2, and interfere at th e camera. Confirmat ion waves return, and the two -slit transact ion forms. Therefore, from the point of view of the transactional interpretation of quantum mechanics (Reference 19), the nonlocal connection between detection events at the two ends of the experiment arises because the detection transactions for the two entangled photons must share a "two -way handshake" at the nonlinear crystal, a condition that can be realized only when the summed vector momenta of the two photons equals that of the pump-laser photon that created them. This view explains Dopfer's observations (Reference 19) and indicates that, in the absence of overwhelming noise or restrictions imposed by coherence/entanglement complementarity, no coincidence should be required between the two detectors in the experiment to observe that change in the pattern observed at D1 when detector D2 is moved. This remains true in the configurations discussed below, when slit S2 is lengthened with many kilometers of fiber-optic light transmission cable to enable superluminal and retrocausa l signal transmission. In other words, analysis of the nonlocal communication test system with the transactional interpretation reveals no "show-stopper" aspects that would prevent superluminal and retro-causa l signal transmission. The transactional inte rpretation is neutral on whether such signals are possible. UNCLASSIFIED/ /fOR [email protected] W&liii 0PIL¥ 16

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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL VIII. Comunicação não local superluminal e retrocausal Como mencionado na seção anterior, assumiremos, para fins de discussão, que a sinalização não local seja possível e consideraremos suas implicações para a velocidade de transmissão de sinais. Para maior definição, os esquemas para isso baseiam-se na versão sem coincidências, com imageamento de fendas, do experimento de Interferência Fantasma descrita acima e mostrada na Figura 7. Nesse sistema, o instante em que um sinal não local é enviado é a chegada do fóton VLP ao sistema de fibra óptica à esquerda, e o instante em que o sinal é recebido é a chegada do fóton HLP à câmera, na parte de baixo do diagrama. Supondo que o esquema funcione, tanto o instante de envio quanto o de recepção podem ser retardados, em princípio, pela introdução de caminhos de atraso, por exemplo trechos de cabos de fibra óptica, no sistema. Em particular, o instante de "envio" poderia ser feito ocorrer bem depois do instante de "recepção" no sistema, constituindo uma demonstração direta de sinalização retrocausal. Isso é mostrado na Figura 10. Aqui, o sistema de duas fendas de limpeza S2 torna-se a entrada de dois trechos de fibra óptica de 10 km, cuidadosamente casados para ter fases de saída idênticas em S3, o fim dos trechos de fibra, onde a luz entra no arranjo de chaveamento óptico descrito acima. Se o índice de refração da fibra é 1,5, a luz que percorre o caminho de 10 km leva cerca de 50 µs. Na presença de ruído de detecção ou da degradação da visibilidade do padrão por causa de compromissos entre entrelaçamento e coerência, um número consideravelmente maior de eventos de detecção de fótons, digamos 100, poderia ser necessário. [Figura 10: rótulos do esquema: aberturas; 10 km; 10 km; fendas-imagem (caminho até a lente = f); filtro passa-IR; HLP 702 nm; fendas-objeto; BBO; VLP 351 nm; caminho até a lente = f; S1; câmera; S3.] Figura 10. Versão sem coincidências, com imageamento de fendas, do experimento de Interferência Fantasma que demonstra sinalização superluminal e retrocausal NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 17

Nota editorial: Seção VIII e Figura 10: atrasos por fibra óptica de 10 km e o conceito de sinalização retrocausal.

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UNCLASSIFIED/ /P81t errl@IAL ~SI! 8HL'I VIII. Superluminal and Retrocausal Nonlocal Communication As mentioned in the previous section, we will assume for the sake of discussion that nonlocal signaling is possible and will consider its implications for the speed of transmission of signals. For definiteness, schemes for doing this are based on the slit­ imaging coincidence-free version of the Ghost Interference experiment described above and shown in Figure 7. In that system, the instant at which a nonlocal signal is sent is the arrival of the VLP photon at the fiber-optic system on the left, and the instant at which the signal is received is the arrival of the HLP photon at the camera at the bottom of the diagram. Assuming the workability of this scheme, both the instants of sending and of receiving can be delayed, in principle, by the introduction of delay paths-for example, runs of fiber-optic cables-in the system. In particular, the "send" instant could be made to occur well after the "receive" instant in the system, constituting a direct demonstration of retrocausal signaling. This is shown in Figure 10. Here the cleanup two-slit system S2 becomes the entrance for two 10-km-long runs of fiber-optics that are carefully matched to have identical exit phases at SJ, the end of the fiber runs where the light enters the optical switching arrangement described above. If the index of refraction of the fiber is 1.5, light transiting the 10-km path requires about 50 µs. In the presence of detection noise or the degradation of pattern visibility because of compromises between entanglement and coherence, considerably more photon detection events-say 100-might be required. 10km Apertures 10km Image Slits Path lo Lens =f IR Pass Filler HIJ> 702 nm 0!¥ctSlits BBO VLP JSI nm Path to Lens= f S1 Camera u 1 n [/SJ Figure 10. Slit-Imaging Coincidence-Free Version of the Ghost Interference Experiment Demonstrating Superluminal and Retrocausal Signaling UNCLASSIFIED/ /FOlil OFFI&il.t.k W&lii 8Nk¥ 17

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Suponha-se então que as bobinas de fibra da Figura 10 permaneçam enroladas e guardadas num canto do laboratório e que a fonte possa ser feita forte o bastante para que a taxa média de detecção dos pares de fótons entrelaçados seja de 10 MHz (o que corresponderia à detecção eficiente de cerca de 3 nW de fótons de 702 nm). Isso exigiria uma fonte de fótons entrelaçados consideravelmente mais forte do que a obtenível com os cristais "volumétricos" de BBO ou LiIO3 usados nos experimentos de Interferência Fantasma e de Dopfer, que produzem um par de fótons entrelaçados utilizável a partir de apenas cerca de 1 em 10^10 fótons de bombeamento. Felizmente, uma tecnologia recém-surgida torna a produção de pares de fótons entrelaçados muito mais eficiente por meio de cristais não lineares "periodicamente polarizados". Num cristal não linear "volumétrico" há um fenômeno de "walk-out" que limita a distância, dentro do cristal, ao longo da qual vale o casamento de fase, o que permite que pares entrelaçados sejam produzidos com eficiência por conversão descendente. Contudo, cristais não lineares como o fosfato titanil de potássio (KTiOPO4, ou KTP) têm coeficientes não lineares muito grandes e são também ferroelétricos, com grande momento de dipolo elétrico. Usando um grande campo elétrico pulsado durante a produção do cristal, é possível "escrever" nos cristais de KTP para mudar a orientação de seu momento de dipolo local, em pequenas distâncias (algumas dezenas de comprimentos de onda), periodicamente ao longo da direção de bombeamento através do cristal, de modo que a deriva de fase se inverte regularmente e se cancela à medida que a radiação de bombeamento avança pelo cristal. Isso se chama "polarização periódica". Com esse tipo de cristal, o walk-out é suprimido e é possível usar cristais muito longos que produzem com eficiência pares de fótons entrelaçados ao longo de todo o seu comprimento. O grupo do IQOQI de Anton Zeilinger, em Viena, usando um cristal de KTP periodicamente polarizado de 25 mm de comprimento, mediu a taxa de produção de pares entrelaçados em 2,73 × 10^5 pares por segundo por mW de radiação de bombeamento por nm de comprimento de onda (Referência 20). Tal fonte deveria ser facilmente capaz de produzir a taxa de detecção de 10 MHz suposta acima. Considere-se agora que o sistema detector "emissor" e a câmera "receptora" estejam na mesma sala e separados por uma distância de 1 metro ou menos. Se a chave for colocada na posição 0 ou 1, a "mensagem" de que está naquela posição começa a chegar à câmera 50 µs antes de a posição da chave ser mudada. Se 100 contagens de fótons constituem um sinal, então, mesmo considerando a latência na recepção do sinal, a mensagem poderia ser recebida 40 µs antes de ser enviada. Isso seria uma demonstração direta de sinalização retrocausal por comunicação não local e constituiria uma violação direta do princípio da causalidade. IX. Paradoxos e comunicação não local O arranjo descrito acima, com seu enlace de comunicação retrocausal, levanta alguns paradoxos de comunicação temporal. Primeiro, consideremos a questão do "bilking" (burla). Suponha-se que construamos um milhão de sistemas ligados do tipo mostrado na Figura 10 (ou usemos 10^7 km de fibra sem atenuação). Então a mensagem transmitida seria recebida 40 segundos antes de ser enviada. Suponha-se agora que um observador astuto receba uma mensagem de si mesmo vinda 40 segundos do futuro e decida não enviá-la. Isso produz um laço temporal inconsistente, que ficou conhecido como "paradoxo da burla". Isso poderia acontecer? Se não, o que o impediria? Há discussões desses paradoxos de burla na literatura de física por Wheeler e Feynman (Referência 22), que consideravam os aspectos retrocausais das ondas avançadas da teoria do absorvedor, e por Kip Thorne e colegas (Referência 23), que consideravam os paradoxos que poderiam surgir de buracos de minhoca do tipo tempo. O consenso geral dos dois grupos é que a natureza o proibirá e exigirá um conjunto consistente de NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 18

Nota editorial: Fonte de pares mais intensa, cristais periodicamente polarizados e início da discussão de paradoxos temporais.

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UNCLASSIFIED/ /FOR [email protected] WS& OPtklf Assume then that the fiber coils of Figure 10 remain rolled up and stored in a corner of the laboratory and that the source can be made strong enough so that the average rate at which the entangled photon pairs are detected is 10 MHz (which would correspond to the efficient detection of about 3 nW of 702-nm photons) . This would require a source of entangled photons considerably stronger than is achievab le with the "bulk" BBO or Lil0 3 crystals used in the Ghost Interference and Dopfer exper iments, which produce a usable entangled photon pair from only about 1 in 1010 pump photons. Fortunately, a recently emerging technology makes the production of entangled photon pairs much more efficient through the use of "periodically poled" nonlinear crystals. In "bulk" nonlinear crystal there is a "walk-out" phenomenon that limits the distance within the crystal over which phase matching holds, permitting entangled pairs to be produced efficiently by down-conversion. However, nonlinear crystals like potassium titanyl phosphate (KTiOPQ4 or KTP) have very large nonlinear coefficients and are also ferroelectric, with a large electr ic dipole moment. By using a large pulsed electric field during crystal production, one can "write" on KTP crystals to change the orientation of their local dipole moment over small distances (a few tens of wavelengths) periodically along the pump direction through the crystal, so that the phase drift regularly reverses and cancels out as the pump radiation progresses through the crystal. This is called "periodic poling." With this kind of crystal, the walk-out is suppressed, and one can use very long crystals that efficiently produce entangled pairs of photons over their ent ire length. The IQOQI group of Anton Zeilinger in Vienna, using a periodically polled KTP crystal 25-mm long, has measured the entangled pair production rate at 2. 73 x 105 pairs per second per mW of pump radiation per nm of wavelength 20. Such a source should be easily able to produce the 10-MHz detection rate assumed above. Now consider that the "sending" detector system and the "rece iving" camera are in the same room and separated by a distance of 1 meter or less. If the switch is set on the 0 or 1 position, the " message" that it is in that position begins to arrive at the camera 50 µs before the switch position is moved. If 100 photon counts constitute a signal, then, even allowing for the latency in signal recept ion, the message could be received 40 µs before it was sent . This would be a direct demonstration of retrocausal signaling using nonlocal communication and would constitute a direct violation of the principle of causality. IX. Paradoxes and Nonlocal Communication The setup described above, with its retrocausal communication link, raises some time ­ communication paradoxes. First, let us consider the issue of "bilking." Suppose we construct a million linked systems of the type shown in Figure 10 (or use 107 km of nonattenuating fiber). Then the transmitted message would be received 40 seconds before it was sent. Now suppose a tricky observer receives a message from himself 40 seconds in the future and then decides not to send it. This produces an inconsistent timelike loop, which has come to be known as a "bilking paradox." Could this happen? If not, what would prevent it? There are discussions of such bilking paradoxes in the physics literature by Wheeler and Feynman (Reference 22), who were considering the retrocausal aspects of the advanced waves of absorber theory, and by Kip Thorne and colleagues (Reference 23), who were considering the paradoxes that might arise from timelike wormholes. The general consensus of both groups is that nature will forbid it and will require a consistent set of UNCLASSIFIED/ /P91l err1e1At U.!I!! er•t I 18

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TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL condições. Thorne e colaboradores mostraram que, "perto" de qualquer situação paradoxal inconsistente envolvendo buracos de minhoca do tipo tempo, sempre há uma situação autoconsistente que não envolve paradoxo. Como disse Sherlock Holmes: "Eliminado o impossível, o que restar, por mais improvável que seja, deve ser a verdade." Essas especulações afirmam que a falha de equipamento produzindo uma sequência consistente de eventos é mais provável do que produzir uma inconsistência entre os eventos de envio e de recepção. As implicações disso são que a burla em si é impossível, mas eventos muito improváveis poderiam talvez ser produzidos para evitá-la. A outra questão levantada pela sinalização retrocausal poderia ser chamada de paradoxo da "concepção imaculada". Suponha-se que você esteja usando o arranjo descrito acima e receba de si mesmo, no futuro, o manuscrito de um romance best-seller com o seu nome como autor. Você o vende a uma editora e se torna rico e famoso. E, quando chega depois o momento da transmissão, você devidamente envia o manuscrito de volta para si mesmo, fechando assim o laço temporal e produzindo um conjunto de eventos completamente consistente. Mas a pergunta é: quem, afinal, escreveu o romance? Claramente, não foi você; você apenas o repassou a si mesmo. No entanto, informação altamente estruturada (o romance) foi criada do nada. E, neste caso, a natureza não deveria objetar, porque não houve burla e você não produziu nenhum laço temporal inconsistente. Não se sabe como resolver nenhum desses paradoxos. Eis algumas possibilidades: • Se a sinalização não local é impossível, os paradoxos não precisam de resolução, mas seriam necessárias provas melhores, mais "estanques", da impossibilidade da sinalização não local. • Se a sinalização não local é possível e pode ser usada para formar laços temporais, então os paradoxos tornam-se importantes assuntos para mais testes experimentais, estudo e tratamento teórico. • Como sugerido por Stephen Hawking (Referência 24), talvez a natureza "abomine" os laços temporais, de modo que, se um está prestes a ser criado, flutuações do vácuo quântico crescerão sem limite e destruirão o aparelho que tenta produzir o laço. Mesmo neste caso, o uso da sinalização não local ainda poderia ser possível, desde que laços temporais fossem cuidadosamente evitados nesses sistemas. (Ver adiante.) X. Comunicação superluminal sem paradoxos Um caminho para evitar os paradoxos retrocausais descritos acima seria garantir que não houvesse laços temporais no sistema de comunicação. Isso pode ser obtido por um arranjo cuidadoso dos atrasos de propagação nas extremidades de envio e de recepção da hipotética comunicação não local. Considere-se o intervalo de espaço-tempo s, definido pela equação: s^2 = x^2 − (ct)^2, em que x é a distância espacial que separa dois eventos (por exemplo, envio e recepção), t é a separação temporal entre eles e c é a velocidade da luz. Um valor positivo de s^2 significa que o intervalo é do tipo espaço, s = 0 é um intervalo do tipo luz e um valor negativo de s^2 significa que o intervalo é do tipo tempo. O intervalo s é uma grandeza invariante de Lorentz que, em particular, conserva seu sinal independentemente da escolha do referencial inercial a partir do qual os dois eventos são vistos. Enquanto o sistema de comunicação não local for arranjado de modo que o intervalo de espaço-tempo entre o emissor e o receptor seja sempre do tipo espaço ou NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 19

Nota editorial: Paradoxos da burla e da concepção imaculada e a Seção X, sobre comunicação superluminal sem laços temporais.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAL li!I! er~t I conditions. Thorne and coworkers showed that "nearby" to any inconsistent paradoxical situation involving timelike wormholes there is always a self-consistent situation that does not involve a paradox. As Sherlock Holmes said, "When the impossible is elim inat ed, whatever remains, however improbable, must be the truth." These speculations assert that equipment failure producing a consistent sequence of events is more likely than producing an inconsistency between the send and receive events. The implications of this are that bilking itself is impossible, but very improbable events could perhaps be produced in avoiding it. The other issue raised by retrocausal signaling might be called the "immaculate conception" paradox. Suppose you are using the setup described above, and you receive from yourself in the future the manuscript of a best-selling novel with your name listed as the author. You sell it to a publisher and become rich and famous. And when the time subsequently comes for transmission, you duly send the manuscript back to yourse lf, thereby closing the timelike loop and producing a completely consistent set of events. But the question is, Just who wrote the novel? Clearly, you did not; you merely passed it along to yourself. Yet highly structured information (the novel) has been created out of nothing. And in this case, nature should not object, because there was no bilkin g, and you produced no inconsistent timelik e loops. It is not known how to resolve either of these paradoxes. Here are a few possibilities: • If nonlocal signaling is impossible, then the paradoxes need no resolution, but better, more "air-tight" proofs of the impossibility of nonlocal signaling would be needed. • If nonlocal signaling is possible and can be used to form timelike loops, then paradoxes become important subjects for further experimental testing, study, and theoretical treatment. • As suggested by Stephen Hawking (Reference 24 ), perhaps nature "abhors" timelike loops, so that if one is about to be created, quantum vacuum fluctuations will grow without limit and destroy the apparatus that is attempting to produce the loop. Even in this case, use of nonlocal signaling might still be possible, provided timelike loops were carefully avoided in such systems. (See below.) X. Superluminal Communication Without Paradoxes One path to avoid the retrocausal paradoxes outlined above would be to make sure there were no timelike loops in the communication system. This can be achieved by careful arrangement of the propagation delays in the sending and receiving ends of the hypothetica l nonlocal commun ication. Consider the space-time interval 5, as defined by the equation: 5 2 = x2 - (ct)2, where x is the spatial distance separat ing two events (for example, send and receive), t is their separation in time, and c is the speed of light. A positive value of 5 2 means the interval is spacelike and s=O is a lightlike interval, and a negative value of s2 means the interval is timelike. The interval s is a Lorentz-invariant quantity that, in particular, retains its sign independent of the choice of inert ial reference frame from which the two events are viewed. As long as the nonlocal communication system is arranged so that the space-time interval between the sender and the receiver is always separated by a spacelike or UNCLASSIFIED/;'FOR OFFI@IAI: WSE OHl:l/ 19

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL do tipo luz e, em particular, nunca do tipo tempo, que pode retroceder pela corrente do tempo, os laços temporais são evitados, juntamente com os paradoxos que implicam. A Figura 11 mostra tal sistema. Fótons entrelaçados nos dois braços do sistema são propagados por cabos de fibra óptica de igual comprimento. Portanto, no referencial do sistema, os eventos de envio e de recepção são simultâneos e, afora a latência associada à recepção de fótons suficientes para estabelecer a recepção de um bit de sinal, a comunicação é instantânea, mas não cria um laço temporal. [Figura 11: rótulos do esquema: BBO; fendas-imagem (caminho até a lente = f); 1 km; 1 km; filtro passa-IR; filtro passa-IR; fendas-objeto (caminho até a lente = f); VLP; 351 nm; câmera.] Figura 11. Um sistema de comunicação não local superluminal em que a comunicação atravessa um intervalo do tipo espaço XI. Exemplo: controle em tempo real, a partir da Terra, de um rover em Marte Considere-se agora a aplicação de um "rover" operado a distâncias interplanetárias, com comunicações não locais usadas para fornecer controle de "realidade virtual" em tempo real do dispositivo móvel. A Figura 12 mostra um esquema da operação, a partir da Terra, de um rover em Marte. Uma estação-base em Marte conteria uma fonte de alta intensidade de pares de fótons entrelaçados. Um fluxo de fótons dos pares entrelaçados, depois de passar por fendas-imagem, seria transmitido da sonda a uma estação de controle na Terra, permitindo que um sinal não local fosse "enviado" da estação de controle por uma sequência temporal de escolhas sobre detectar o fluxo de fótons que chegam como ondas ou como partículas. O outro fluxo de fótons dos pares entrelaçados, depois de passar por fendas-objeto, seria detectado localmente na estação-base em Marte, perto da fonte, e analisado quanto à presença ou à ausência de um padrão de interferência, "recebendo" assim o sinal não local como um "0" ou um "1" lógico, respectivamente. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 20

Nota editorial: Figura 11 (sistema com intervalo do tipo espaço) e início do exemplo do rover em Marte.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAI! WSE OHi!:¥ lightlike interval, and in particu lar is never separated by a timelike interval that can go backwards down the t ime stream, then t imelike loops are avoided, along with the paradoxes they imply. Figure 11 shows such a system. Entangled photons in the two arms of the system are propagated through fiber-optic cables of equal length. Therefore, in the reference frame of the system, the send and receive events are simultaneous, and, aside from the latency associated with the reception of enough photons to estab lish the reception of a signal bit, the communication is instantaneous but does not create a timelike loop. BBO litt.age Slits Path to Le..,. - f 1km 1km IR Pas s Filur I I IR Pass Filter Object Slits Pa:th to Le:ns - f VLP 351 Camera n>tt Figure 11. A Superluminal Nonlocal Communication System in Which the Communication Spans a Spacelike Interval XI. Example: Real-Time Earth Control of Mars Rover Now consider the application of a " rover " operated at interplanetary distances, with nonlocal communications used to provide rea l-t ime "virtual reality" control of the mobile device . Figure 12 shows a schematic of the Earth-based operation of a Mars rover. A base station on Mars would contain a high-intensity source of entang led photon pairs. One stream of photons from the entangled pairs, after passing through image slits, would be transmitted from the probe to an Earth control station, allowing a nonlocal signal to be "sent" from the control station by a time sequence of choices of whether to detect the stream of arriving photons as waves or particles . The other stream of photons from the entangled pairs, after passing through object slits, would be detected locally at the Mars base stat ion near the source and analyzed for the presence or absence of an interference pattern, thereby "receiving" the nonlocal signal as a logical "0" or "1," respectively. UNCLASSIFIED/ /fOll Offl@IAI! WSIE OHi!:¥ 20

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL [Figura 12: esquema com a Terra, Marte e o rover.] Figura 12. Esquema do controle em tempo real de um rover em Marte a partir da Terra Para evitar ter de transmitir dois fluxos de fótons entrelaçados, o equivalente aos dois enlaces de fibra óptica da Figura 10, na estação-base os fótons de uma fenda-imagem seriam polarizados na horizontal e os da outra fenda seriam polarizados na vertical antes da transmissão. Então, na estação de controle na Terra, a detecção da polarização dos fótons do fluxo constituiria medições de "partícula", enquanto separar, girar para o mesmo estado de polarização e recombinar as ondas, de modo que pudessem interferir antes da detecção, constituiria uma medição de "onda". Em paralelo com esse enlace não local, um enlace convencional de micro-ondas ou óptico seria usado para comunicar imagens de vídeo e outros dados à estação na Terra. As imagens de vídeo e os dados sofreriam um atraso de propagação igual à distância de transmissão dividida pela velocidade da luz e chegariam à estação na Terra segundos, minutos ou horas depois de transmitidos. Os fótons entrelaçados sofreriam o mesmo atraso, mas o sinal de controle não local seria enviado para trás pela corrente do tempo, chegando à sonda no instante em que os sinais de vídeo e os dados estivessem sendo transmitidos, de modo que o sinal não local pudesse dirigir e controlar a sonda em tempo real, e um operador na Terra pudesse "conduzir" o rover em Marte usando técnicas de realidade virtual. Pode-se imaginar conduzir o rover de Marte pelo planeta, desviando ativamente de obstáculos, acionando instrumentos de análise em tempo real à medida que objetos interessantes fossem encontrados e controlando ativamente equipamentos de reparo para lidar com os problemas que surgissem. Um laço de comunicação desse tipo (convencional + não local) seria um laço do tipo luz, com os pontos de envio e de recepção de ida e volta situados no cone de luz. Como tal, não NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 21

Nota editorial: Figura 12 e descrição hipotética do controle em tempo real de um rover em Marte a partir da Terra.

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UNCLASSIFIED/ /FOR 8FFI@IAk WSE 8Hk¥ Figure 12. Schematic of Earth-to-Mars Real-Time Control of a Rover In order to avoid having to transmit two streams of entangled photons, the equivalent of the two fiber-optic links in Figure 10, at the base station the photons from one image slit would be polarized horizontally and those the other slit would be polarized vertically before transmission. Then, at the Earth control station, detection of the polarization of photons in the stream would constitute "particle" measurements, while separating, rotating to the same polarization state, and recombining the waves so that they could interfere before detection would constitute a "wave" measurement. In parallel with this nonlocal link, a conventional microwave or optical link would be used to communicate video images and other data to the Earth station. The video images and data would experience a propagation delay equal to the transmission distance divided by the speed of light, and would arrive at the Earth station seconds, minutes, or hours aher they were transmitted. The entangled photons would experience the same delay, but the nonlocal control signal would be sent backwards up the time stream, arriving at the probe at the instant the video signals and data were being transmitted, so that the nonlocal signal could steer and control the probe in real time, and an Earth-based operator could "drive" the rover on Mars using virtual-reality techniques. One can imagine driving the Mars Rover around the planet, actively steering around obstacles, activating analysis instruments in real time as interesting objects were found, and actively controlling repair equipment to deal with problems that arise. Such a communication loop (conventional + nonlocal) would be a light-like loop, with the two-way send and receive points located on the light cone. As such, it would not UNCLASSIFIED/ /F8R. 8FFIE!IJltt U:!I! eHt I 21

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL levaria a nenhum problema de causalidade nem a paradoxos, mas traria as partes remotas do sistema solar e talvez do universo para o aqui e agora. XII. Outra possibilidade superluminal: a mecânica quântica não linear Até agora, o foco esteve na possibilidade de comunicação não local no âmbito da mecânica quântica padrão. Contudo, mesmo que a comunicação não local se revele impossível na mecânica quântica padrão, poderia haver outro caminho para a comunicação não local. Os teoremas de impossibilidade de sinalização descritos na Parte III acima baseiam-se no formalismo da mecânica quântica padrão. Tais "provas" deixam de valer se se permite que a mecânica quântica seja ligeiramente "não linear", termo técnico que significa que, quando ondas quânticas são superpostas, elas podem gerar um pequeno termo cruzado ausente do formalismo padrão. Steven Weinberg, Prêmio Nobel por seu trabalho teórico na unificação das interações eletromagnética e fraca, investigou uma teoria que introduz pequenos termos não lineares na mecânica quântica padrão (Referência 25). O surgimento de comportamento não linear é visto em outras áreas da física, por exemplo, a luz laser em certos meios, e, sugeriu ele, poderia também estar presente, mas passar despercebido, na própria mecânica quântica. A mecânica quântica não linear de Weinberg altera sutilmente certas propriedades da teoria padrão, produzindo novos efeitos físicos que podem ser detectados por medições precisas. Dois anos depois de publicada a teoria da mecânica quântica não linear de Weinberg, Joseph Polchinski publicou um artigo demonstrando que as correções não lineares de Weinberg rompem o equilíbrio na mecânica quântica que impede a comunicação superluminal com experimentos EPR (Referência 26). Pelos novos efeitos não lineares, medições separadas no mesmo sistema quântico passam a "conversar" entre si, e a sinalização mais rápida que a luz e/ou de volta no tempo se torna possível. Polchinski descreve tal arranjo como um "telefone EPR". O trabalho de Weinberg e Polchinski teve implicações devastadoras para a representação da função de onda como "conhecimento do observador" na Interpretação de Copenhague. Polchinski mostrou que uma minúscula modificação não linear transforma a não localidade "oculta" do formalismo da MQ padrão numa propriedade manifesta que pode ser usada para comunicação não local de observador a observador. Isso é completamente inconsistente com a interpretação de "conhecimento" da Interpretação de Copenhague. As previsões experimentais de Weinberg levaram a grande número de testes experimentais que buscaram os efeitos previstos. Lamentavelmente, todas essas tentativas experimentais de observar os efeitos não lineares fracassaram, produzindo apenas limites superiores muito baixos. Aparentemente, se há efeitos não lineares que modificam o formalismo quântico, eles são extremamente pequenos em laboratórios terrestres. Esses resultados negativos não surpreendem, contudo, porque as transições atômicas usadas envolvem apenas alguns elétron-volts de energia. Se a mecânica quântica tem propriedades não lineares, seria de esperar que dependessem da massa-energia e aparecessem apenas numa escala de energia muito alta, particularmente nas mais altas densidades de energia ou em campos gravitacionais muito intensos. No mundo cotidiano de gravidade fraca e espaço bastante plano, esse caminho para a comunicação não local parece bloqueado, porque o "veículo" para enviar o sinal não é observável. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 22

Nota editorial: Seção XII: mecânica quântica não linear (Weinberg e Polchinski) e resultados experimentais negativos.

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UNCLASSIFIED/ /FOil 8fPl@IA:L tt.!l! 6NL I lead to any causality problems or paradoxes but would bring the remote parts of the solar system and perhaps the universe to the here and now. XII . Another Superluminal Possibility : Nonlinear Quantum Mechanics Thus far, the focus has been on the possibility of nonlocal communication within the framework of standard quantum mechanics. However, even if nonlocal communication proves impossible in standard quantum mechanics, there could be another path to nonlocal communication. The no-signal theorems described in Part III above are based on the formalism of standard quantum mechanics. Such "proofs" become invalid if quantum mechanics is allowed to be slightly "nonlinear," a technical term meaning that when quantum waves are superimposed, they may generate a small cross-term not present in the standard formalism. Steven Weinberg, Nobel laureate for his theoretical work in unifying the electromagnetic and weak interactions, investigated a theory that introduces small, nonlinear terms to standard quantum mechanics (Reference 25). The onset of nonlinear behavior is seen in other areas of physics-for example, laser light in certain media­ and, he suggested, might also be present but unnoticed in quantum mechanics itself. Weinberg's nonlinear quantum mechanics subtly alters certain properties of the standard theory, producing new physical effects that can be detected through precise measurements. Two years after Weinberg's nonlinear quantum mechanics theory was published, Joseph Polchinski published a paper demonstrating that Weinberg's nonlinear corrections upset the balance in quantum mechanics that prevents superluminal communication using EPR experiments (Reference 26). Through the new nonlinear effects, separated measurements on the same quantum system begin to "talk" to each other, and faster­ than-light and/or backward-in-time signaling becomes possible. Polchinski describes such an arrangement as an "EPR telephone." The Weinberg/Polchinski work had implications that are devastating for the Copenhagen Interpretation's representation of the wave function as "observer knowledge." Polchinski has shown that a tiny nonlinear modification transforms the "hidden" nonlocality of the standard QM formalism into a manifest property that can be used for nonlocal observer-to-observer communication. This is completely inconsistent with the Copenhagen Interpretation's "knowledge" interpretation. Weinberg's experimental predictions have led to a large number of experimental tests that have searched for the predicted effects. Regrettably, all such experimental attempts to observe the nonlinear effects have failed, producing only very low upper limits. Apparently, if there are nonlinear effects that modify the quantum formalism, they are extremely small in Earth-based laboratories. These negative results are not surprising, however, because the atomic transitions used involve only a few electron­ volts of energy. If quantum mechanics does have nonlinear properties, they would be expected to depend on mass-energy and to appear only at a very high energy scale, particularly at the highest energy densities or in very high gravitational fields. In the everyday world of weak gravity and fairly flat space, this path to nonlocal communication appears to be blocked, because the "vehicle" for sending the signal is not observable. UNCLASSIFIED/ f FOR: OFFI&il.t.k W&liii OP•k¥ 22

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TRECHO 22 · PÁGINA FÍSICA 29

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL No entanto, trabalhos emergentes em gravidade quântica oferecem a possibilidade de uma forma explicitamente não linear de mecânica quântica que se reduz à mecânica quântica linear no caso limite de gravidade fraca ou nula. Usando a imagem ondulatória, é possível formular uma equação de onda de Laplace-Beltrami para o espaço gravitacionalmente curvo. O operador de Laplace-Beltrami, no lado esquerdo, contém informação sobre a geometria do espaço-tempo (o tensor métrico) e opera sobre a função de onda. No lado direito está o mesmo termo encontrado na equação de onda de Klein-Gordon do espaço plano. No espaço plano (sem gravidade), essa equação de onda de "espaço curvo" se reduz à equação de onda de Klein-Gordon, mas no espaço curvo ela é não linear de um modo que poderia facilitar a comunicação não local. Assim, num ambiente onde se espera forte curvatura do espaço, por exemplo, a vizinhança de uma estrela de nêutrons ou de um buraco negro, pode existir não linearidade quântica suficiente para facilitar a comunicação não local. XIII. Conclusão Em última análise, a questão de saber se a comunicação não local é possível é experimental. A questão deveria ser resolúvel testando a comunicação não local e observando que limites experimentais aparecem. Em particular, os limites da complementaridade entre coerência e entrelaçamento são tão severos a ponto de impedir a sinalização? Atualmente, pelo menos um experimento em andamento visa produzir uma versão sem coincidências do experimento de Interferência Fantasma. Aguardamos o resultado desses testes. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 23

Nota editorial: Não linearidade em espaço curvo e Seção XIII, conclusão: a questão é experimental.

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UNCLASSIFIED/ ,<FOA OFFl&IAk WSE 8HLY However, emerging from work on quantum gravity offers the possibility of an explicitly nonlinear form of quantum mechanics that reduces to linear quantum mechanics in the limiting case of weak or no gravity. Using the wave picture, it is possible to formulate a Laplace-Beltrami wave equation for gravitationally curved space. The Laplace-Beltrami operator on the left-hand side contains information about the space-time geometry (the metric te nsor) and operates on the wave function. On the right-hand side is the same term found in the flat space Klein-Gordon wave equation. In flat space (no gravity), this "curved-space" wave equation reduces to the Klein-Gordon wave equation, but in curved space it is nonlinear in a way that could facilitate nonlocal communication. Thus, in an environment where strong space curvature is expected-for example, the vicinity of a neutron star or black hole-sufficient quantum nonlinearit y may exist to facilitate nonlocal communication . XIII. Conclusion Ultimately, the question of whether nonlocal communication is possible is an experimental one. The issue should be resolvable by testing for nonlocal communication and observing what experimental lim its appear. In particular, are the limits of coherence/entanglement complementarity so severe as to preclude signaling? Currently at least one experiment in progress aims to produce a coincidence-free version of the Ghost Interference experiment. We await the outcome of such tests. UNCLASSIFIED/ /POI\ OPPIEIICL U:!I!! 9HLY 23

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TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Sumário Prefácio e introdução ............ iv I. Entrelaçamento quântico, não localidade e experimentos EPR ............ 1 II. Os teoremas quânticos de impossibilidade de sinalização ............ 4 III. Não localidade versus relatividade restrita? ............ 5 IV. Entrelaçamento no domínio do momento e experimentos EPR ............ 5 V. Complementaridade entre coerência e entrelaçamento ............ 10 VI. Comunicação não local versus sinalização ............ 11 VII. Uma análise transacional do teste de comunicação não local ............ 13 VIII. Comunicação não local superluminal e retrocausal ............ 17 IX. Paradoxos e comunicação não local ............ 18 X. Comunicação superluminal sem paradoxos ............ 19 XI. Exemplo: controle em tempo real, a partir da Terra, de um rover em Marte ............ 20 XII. Outra possibilidade superluminal: a mecânica quântica não linear ............ 22 XIII. Conclusão ............ 23 Apêndice: Glossário ............ 24 Figuras Figura 1. Esquema do experimento Freedman-Clauser de 1972 ............ 2 Figura 2. Esquema do experimento de interferência fantasma de 1995, do grupo de Shih Figura 7. Versão sem coincidências, com imageamento de fenda, do experimento de interferência fantasma Grupo ............ 6 Figura 3. Distribuições de posição da interferência fantasma em X2 ............ 7 Figura 4. "Desdobramento" do experimento de interferência fantasma ............ 8 Figura 5. Esquema do experimento de Dopfer de 1998 ............ 9 Figura 6. Efeito de fonte espessa ............ 10 Experimento para demonstrar a comunicação não local ............ 12 Figura 8. Diagramas da interpretação transacional para o Caso 1 ............ 15 Figura 9. Diagramas da interpretação transacional para o Caso 2 ............ 16 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL ii

Nota editorial: Sumário e início da lista de figuras do estudo.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAk WSli OPtklf Contents Foreword and Introduction .................................................................................... iv I. Quantum Entanglement, Nonlocality, and EPR Experiments ............................... 1 II. The Quantum No-Signal Theorems .................................................................... 4 III. Nonlocality Versus Special Relativity? ............................................................. 5 IV. Momentum Domain Entanglement and EPR Experiments .................................. 5 V. Coherence-Entanglement Complementarity ..................................................... 10 VI. Nonlocal Communication Versus Signaling ..................................................... 11 VII. A Transactional Analysis of the Nonlocal Communication Test ...................... 13 VIII. Superluminal and Retrocausal Nonlocal Communication ............................. 17 IX. Paradoxes and Nonlocal Communication ........................................................ 18 X. Superluminal Communication without Paradoxes ............................................ 19 XI. Example: Real-Time Earth Control of Mars Rover ............................................ 20 XII. Another Superluminal Possibility: Nonlinear Quantum Mechanics ................. 22 XIII. Conclusion ................................................................................................... 23 Appendix: Glossary .............................................................................................. 24 Figures Figure 1. Schematic of the 1972 Freedman-Clauser Experiment ............................ 2 Figure 2. Schematic of the 1995 Ghost Interference Experiment of the Shih Figure 7. Slit-Imaging Coincidence-Free Version of the Ghost Interference Group ...................................................................................................... 6 Figure 3. Ghost Interference Position Distributions at X2 ....................................... 7 Figure 4. "Unfolding" the Ghost Interference Experiment ...................................... 8 Figure 5. Schematic of the 1998 Dopfer Experiment .............................................. 9 Figure 6. Thick-Source Effect ............................................................................... 10 Experiment to Demonstrate Nonlocal Communication ........................... 12 Figure 8. Transactional Interpretation Diagrams for Case 1 ................................. 15 Figure 9. Transactional Interpretation Diagrams for Case 2................................. 16 UNCLASSIFIED/ /FOR [email protected] WSli 8Ptklf ii

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TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Apêndice: Glossário Base: Na mecânica quântica, a escolha de uma grandeza observável que pode ser complementar a outra variável, de modo que ambas não possam ser medidas ao mesmo tempo. Um exemplo é a escolha de medir a posição, que impede a medição simultânea do momento. Em experimentos EPR, é preciso escolher uma base de polarização (por exemplo, polarização linear que pode ser vertical ou horizontal). Como tanto a polarização circular quanto a polarização a 45° à esquerda/direita são superposições lineares da polarização vertical/horizontal, elas não podem ser medidas simultaneamente. Na mecânica quântica, a medição faz a função de onda colapsar para um valor particular da base, excluindo outros valores possíveis. Teorema de Bell: Uma prova matemática de John S. Bell (Referência 8) demonstrando que, num experimento EPR baseado em polarização, a queda das correlações quando o ângulo de base de uma medição de polarização é mudado é qualitativamente diferente conforme previsto pelas teorias locais de variáveis ocultas e pela mecânica quântica padrão. Em particular, as teorias locais de variáveis ocultas preveem uma queda linear, enquanto a mecânica quântica prevê uma queda quadrática. Essa diferença nas previsões é representada como uma desigualdade nas razões de intensidade de medição que todas as teorias locais de variáveis ocultas devem satisfazer, enquanto a mecânica quântica não. Os testes dessas previsões concordaram com a mecânica quântica e falsificaram as teorias locais de variáveis ocultas. Paradoxo da burla: Tipo de paradoxo de comunicação de volta no tempo em que se cria um laço causal inconsistente. Um exemplo conhecido é o Paradoxo da Avó, cenário de viagem no tempo da ficção científica em que um viajante do tempo vai ao passado e mata sua avó antes de ela ter filhos. Surge então a pergunta: como ele poderia ter nascido se sua avó não teve filhos? Vários trabalhos da literatura de física (Referências 17, 18) concluíram que essa burla transtemporal é impossível, que a natureza não permitirá laços temporais inconsistentes e que é mais provável que algum aparelho falhe do que que uma "burla" da natureza possa ser alcançada. Causalidade: A observação, considerada uma lei da física, de que uma causa deve preceder seus efeitos vistos em todo e qualquer referencial. Às vezes chamada de "Causa e Efeito" ou "a Lei de Causa e Efeito". Correlações: A conexão matemática entre duas variáveis ou duas grandezas medidas. Como exemplo, numa medição EPR, seleciona-se a polarização de base de um fóton, varia-se a polarização de base do fóton gêmeo entrelaçado e mede-se a taxa de contagem de coincidências em função do ângulo variado, para estabelecer a correlação entre as duas polarizações. Coerência: Descreve se duas ondas (por exemplo, as que chegam a um par de fendas ou a um detector) têm uma relação de fase definida (caso em que são completamente coerentes), têm uma relação de fase aleatória (caso em que são completamente incoerentes) ou algo intermediário. Complementaridade entre coerência e entrelaçamento: A expectativa teórica e a observação experimental (Referência 15) de que coerência perfeita e entrelaçamento perfeito não podem ser obtidos ao mesmo tempo para um par de fótons entrelaçados. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 24

Nota editorial: Apêndice, glossário (parte 1): base, teorema de Bell, paradoxo da burla, causalidade, correlações e coerência.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl&IAk W&li 0NL¥ Appendix: Glossary Basis: In quantum mechanics, a choice of an observable quantity that may be complementary to another variable, so that both cannot be measured at the same time. An example is the choice of measuring position, which prevents the simultaneous measurement of momentum. In EPR experiments, one must choose a polarization basis (for example, linear polarization that may be either vertical or horizontal). Since both circular polarization and 45° left/right polarization are linear superpositions of vertical/horizontal polarization, they may not be measured simultaneously. In quantum mechanics, the measurement causes the wave function to collapse to a particular basis value, excluding other possible values . Bell's Theorem: A mathematical proof by John S. Bell (Reference 8) demonstrating that in a polarization-based EPR experiment, the fal loff of correlations as the basis angle of a polarization measurement is changed is qualitatively different, as predicted by local hidden-variable theories and by standard quantum mechanics. In particular, local hidden-variable theories predict a linear falloff, while quantum mechanics predicts a quadratic falloff. This difference in predictions is represented as an inequality in measurement intensity ratios that all local hidden variable theories must satisfy, while quantum mechanics does not. Tests of these predictions have been found to agree with quantum mechanics and to falsify local hidden-variable theories. Bilking Paradox: A type of back-in-time communication paradox in which an inconsistent causal loop is created. A well-known example is the Grandmother Paradox, a time-travel scenario from science fiction in which a time traveler travels to the past and kills his grandmother before she had children. The question then arises, How could he have been born if his grandmother had no children? Several works in the physics literature (Reference 17, 18) have concluded that such trans -tempo ral bilking is impossible, that nature will not permit inconsistent timelike loops, and that it is more likely that some apparatus will fail than that a "bilk" of nature could be achieved . Causality: The observation, which is regarded as a law of physics, that a cause must precede its effects as viewed in any and all reference frames. Sometimes referred to as "Cause and Effect" or "the Law of Cause and Effect." Correlations: The mathematical connection between two variables or two measured quantities. As an example, in an EPR measurement, the basis polarization of one photon is selected, the basis polarization of the twin entangled photon is varied, and the coincidence counting rate versus varied angle is measured to establish the correlation between the two polarizations. Coherence: Describes whether two waves (for example, those arriving at a pair of slits or at a detector) have a definite phase relation (in which case they are completely coherent), have a random phase relation (in which case they are completely incoherent), or have someth ing in between. Coherence-Entanglement Complementarity: The theoretical expectation and experimental observation (Reference 15) that perfect coherence and perfect entanglement cannot be achieved for an entangled pair of photons at the same time. UNCLASSIFIED/ ,,roA 0FFI&IAI: WSE o .. L'/ 24

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Superposição coerente: A formação de um estado mecânico-quântico (por exemplo, polarização circular à direita) pela soma de componentes de outros estados (por exemplo, polarização à esquerda e à direita) com uma fase complexa definida entre os estados somados. Colapso: Diz-se que uma função de onda mecânico-quântica colapsa para um valor particular da base quando uma medição é feita nessa base. Por exemplo, se um fóton é emitido isotropicamente (com igual probabilidade em todas as direções), sua função de onda se distribui uniformemente sobre uma esfera com um raio que cresce à velocidade da luz até ser detectado. Na detecção, a função de onda do fóton fica localizada no ponto de detecção e desaparece em todos os outros lugares. Entrelaçado: Diz-se que as partes separadas de um mesmo sistema quântico estão entrelaçadas quando cada uma das partes só pode ser descrita por referência ao estado das outras partes. Este é um dos aspectos mais contraintuitivos da mecânica quântica porque, classicamente, partes de um sistema sem contato "local" deveriam ser completamente independentes. O entrelaçamento representa, assim, uma espécie de "conectividade" quântica em que medições em uma parte isolada de um sistema quântico entrelaçado têm consequências não clássicas para o resultado de medições feitas em outras partes (possivelmente muito distantes) do mesmo sistema. Experimento EPR: Uma classe de experimentos com partículas entrelaçadas, em geral fótons, que demonstram a não localidade quântica. Um experimento mental desse tipo foi sugerido pela primeira vez no famoso artigo de 1936 de Einstein, Podolsky e Rosen (Referência 4), no qual foi apresentado um conjunto de críticas à mecânica quântica. Teorias de variáveis ocultas: Um conjunto de alternativas à mecânica quântica, pensadas para satisfazer as objeções do artigo EPR, nas quais o princípio da incerteza não se aplica e um sistema quântico pode ter simultaneamente valores definidos de variáveis complementares como posição e momento, desde que um desses valores esteja de algum modo "oculto". As teorias de variáveis ocultas costumam ser também "locais" (ver adiante), para lidar com a objeção de Einstein à não localidade da mecânica quântica. Paradoxo da concepção imaculada: Tipo de paradoxo de comunicação de volta no tempo em que um laço causal completamente consistente produz informação sem origem conhecida. Um exemplo é o Paradoxo do Livro, em que um autor recebe um livro numa mensagem vinda do futuro. Ele o publica e, quando chega o momento, transmite o manuscrito a si mesmo no passado. Surge então a pergunta: quem escreveu o livro? Neste caso, não há laços temporais inconsistentes envolvidos, e os argumentos contra a burla (ver acima) não se aplicam. Localidade: A suposição de que as correlações entre partes de um sistema só podem ser estabelecidas enquanto os subsistemas estão em contato (ou em comunicação à velocidade da luz) e de que, uma vez fora desse contato, nenhuma mudança nessas correlações é possível. Não localidade: A situação, aparentemente presente na mecânica quântica, em que as correlações entre partes de um sistema podem ser estabelecidas independentemente da separação das partes no tempo e no espaço. Retrocausal: Situações na teoria ou no mundo real em que o efeito precede a causa, em violação do princípio da causalidade. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 25

Nota editorial: Glossário (parte 2): superposição coerente, colapso, entrelaçamento, experimento EPR, localidade, não localidade e retrocausal.

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UNCLASSIFIED/ ,'FOR [email protected] WS& OPtklf Coherent Superposition: The formation of a quantum mechanical state (for example, right circular polarization) by adding components of other states (for example, le~ and right polarization) with a definite complex phase between the added states. Collapse: A quantum mechanical wave function is said to collapse to a particular basis value when a measurement is made in that basis. For example, if a photon is emitted isotropically (with equal probability in all direct ions), its wave funct ion is distr ibuted uniformly over a sphere with a radius that grows at the speed of light until it is detected . Upon detection, the photon's wave function is localized at the detection point and disappears everywhere else. Entangled: The separated parts of the same quantum system are said to be entangled when each of the parts can be described only by referencing the state of other parts . This is one of the most counterintuitive aspects of quantum mechanics, because, classically, system parts out of "local" contact should be completely independent. Thus, entanglement represents a kind of quantum "connectedness" in which measurements on one isolated part of an entang led quantum system have nonclassical consequences for the outcome of measurements performed on other (possibly very distant) parts of the same system. EPR Experiment: A class of exper iments with entang led part icles, usually photons, that demonstrate quantum nonlocality. A gedankenexperiment of this kind was first suggested in the famous 1936 paper by Einstein, Podolsky, and Rosen (Reference 4) in which a set of crit icisms of quantum mechanics were presented. Hidden Variable Theories: A set of alternatives to quantum mechanics intended to satisfy the objections of the EPR paper in which the uncertainty principle does not apply and a quantum system can simultaneously have defin ite values of complementary variables like positi on and momentum, provided one of these values is somehow "hidden." Hidden variable theories are usually also "local" (see below) to deal with Einstein's objection to the nonlocality of quantum mechanics. Immaculate Conception Paradox: A type of back-in-time commun ication paradox in which a completely consistent causal loop produces information with no known origin. An example is the Book Paradox, in which an author receives a book in a message from the future. He publishes it, and when the time comes, he transmits the manuscript to himself in the past. The question then arises, Who wrote the book? In this case, no inconsistent timelike loops are involved, and the arguments against bilking (see above) do not apply in this case . Locality: The assumpt ion that the correlat ions between parts of a system can be established only while the subsystems are in contact (or speed-of-light communication), and that once out of such contact, no changes in such correlations are possible. Nonlocality: The situation, apparently present in quantum mechanics, in which correlations between parts of a system can be established independent of the separation of the parts in time and space. Retro-Causal: Situations in theory or in the real world where the effect precedes the cause, in violation of the principle of causality . UNCLASSIFIED/ /fOR. 0rr1e11et U:!I! OHL I 25

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TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 32

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Referências 1 [referências bibliográficas no original] 2 [referências bibliográficas no original] 3 [referências bibliográficas no original] 4 [referências bibliográficas no original] 5 [referências bibliográficas no original] 6 [referências bibliográficas no original] 7 [referências bibliográficas no original] 8 [referências bibliográficas no original] 9 [referências bibliográficas no original] 10 [referências bibliográficas no original] 11 [referências bibliográficas no original] 12 [referências bibliográficas no original] 13 [referências bibliográficas no original] 14 [referências bibliográficas no original] 15 [referências bibliográficas no original] 16 [referências bibliográficas no original] 17 [referências bibliográficas no original] 18 [referências bibliográficas no original] 19 [referências bibliográficas no original] 20 [referências bibliográficas no original] 21 [referências bibliográficas no original] 22 [referências bibliográficas no original] 23 [referências bibliográficas no original] 24 [referências bibliográficas no original] 25 [referências bibliográficas no original] 26 [referências bibliográficas no original] (As entradas trazem autores, periódicos, volumes, páginas e anos; os títulos de obras e artigos em inglês permanecem no original. Autores citados: Freedman e Clauser; Aspect, Dalibard e Roger; Schrödinger; Einstein, Podolsky e Rosen; Jarrett; Shimony; Wu e Shanknov; Bell; Tittel, Brendel, Zbinden e Gisin; Leggett; Gröblacher, Paterek, Kaltenbaek, Brukner, Zukowski, Aspelmeyer e Zeilinger; Pagels; Eberhard; Ghirardi, Rimini e Weber; Yurtsever e Hockney; Peacock e Hepburn; Mandel e Wolf; Strekalov, Sergienko, Klyshko e Shih; Dopfer; Abouraddy, Nasr, Saleh, Sergienko e Teich; Cramer; Fedrizzi e outros; Zehnder e Mach; Wheeler e Feynman; Eschenerria, Klinkhammer e Thorne; Hawking; Weinberg; Polchinski.) NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 26

Nota editorial: Lista de 26 referências bibliográficas do estudo.

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UNCLASSIFIED/ ,<fOlil OFFl&IAk W&lii OPUslf 1 S. J. Freedman and J. F. Clauser, Phys. Rev. Letters, 28, 938 -942 (1972) . 2 A. Aspect, J. Dalibard, and G. Roger, Phys. Rev. Letters, 49, 91-95 (1982); A. Aspect, J. Dalibard, and G. Roger, Phys. Rev. Letters, 49, 1804 (1982). 3 Erwin Schrodinger, Proc. of Cambridge Philosophical Society, 31, 555-563 (1935); 32, 446-451 (1936). 4 A. Einstei n, B. Podolsky, and N. Rosen, Physical Review. 47, 777-785 (1935) . 5 Jon P. Jarrett, Nous, 18, 569 (1984) . 6 Abner Shimony, Quantum Concepts in Space and Time, R. Penrose and C. J. Isham, eds., Chapter 12, pp. 182-203, Clarendon Press, Oxford (1986). 7 C. S. Wu and I. Shanknov, Phys. Rev., 77, 136 (1950). 8 J. S. Bell, Physics, Vol. 1, 195 (1964); Rev. of Modern Physics, 38,447 (1966) . 9 W. Tittel, J. Brendel, H. Zbinden, and N. Gisin, Phys. Rev. Letters, 81, 3563-3566 (1998). 10 Anthony J. Leggett, Foundations of Physics 33, 1469 (2003) 11 S. Groblacher, T. Paterek, R. Kaltenbaek, C. Brukner, M. Zukowski, M. Aspelmeyer, and A. Zeilinger, "An experime nta l test of non-loca l realism," Nature 446 , 871-875 (2007) . 12 Heinz Pagels, The Cosmic Code, Simon & Schuster, NY (1982) . 13 P. H. Eberhard, Nuovo Cimento B 38, 75 (1977) , ibid . B 46, 392 (1978); G. C. Ghirardi, A. Rimini, and T. Weber, Lett. Nuovo Cimento 2 7, 293-298 (1980); U. Yurtsever and G. Hockney, Classical and Quantum Gravity 22, 295- 312 (2005), gr-qc/0409112 . 14 K. A. Peacock and B. Hepburn, Proceedings of the Meeting of the Society of Exact Philosophy (1999), quant­ ph/99 06036. ' 5 L. Mandel and E. Wolf, Optical Coherence and Quantum Optics , Chapter 22.4, Cambridge University Press (1995) . 16 D. V. Streka lov, A. V. Sergienko, D. N. Klyshko, and Y. H. Shih, Phys. Rev. Letters, 74, 3600-3603 (199 5). 17 B. Dopfer, Ph.D. Thesis, Univ. Innsbr uck (1998); A. Zeilinger, Rev. Modern Physics 71, 5288 -5297 (1999). 18 A. F. Abouraddy, M. B. Nasr, B. E. A. Saleh, A. V. Sergienko, and M. C. Teich . Phys. Rev. A, 63, 063803 (2001) . 19 John G. Cramer, Reviews of Modern Physics 58, 647 (1986) ; John G. Cramer, International Journa l of Theoretica l Physics 27, 227 (1988); John G. Cramer, Foundations of Physics Letters 19 , 63-73, (2006) . 20 A. Fedrizzi, T. Herbstl, A. Poppe, T. Jenneweinl and A. Zeilinger, Optics Express 15, 15377 (2007). 21 Ludwig Zehnder, Z. Instrumentenkunde 11, 275 (1891); Ludwig Mach, Z. Jnstrumentenkunde 12, 89 (1892) . 22 J. A. Wheeler and R. P. Feynman, Rev. Mod. Physics, 21, 425-433 (1949). 23 F. Eschenerria, G. Klinkhammer, and K. S. Thorne, Phys. Rev. D, 44, 1077-1099 (1991). 24 S. W. Hawking, Phys. Rev. D 46, 603- 611 (1992) . 25 Steven Weinberg, Physical Review Letters, 62 , 485 -490 (1989). 26 Joseph Polchinski, Physical Review Letters, 66 , 397-401 (1991). UNCLASSIFIED/ ,'FOR. OFFI&I.t.k W&liii QPlkV 26

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TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 4

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Figura 10. Versão sem coincidências, com imageamento de fenda, do experimento de interferência fantasma que demonstra sinalização superluminal e retrocausal ............ 17 Figura 11. Um sistema de comunicação não local superluminal em que a comunicação atravessa um intervalo do tipo espaço ............ 20 Figura 12. Esquema do controle em tempo real de um rover em Marte a partir da Terra ............ 21 NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL iii

Nota editorial: Continuação da lista de figuras (Figuras 10 a 12).

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI@IAL WSE OHL¥ Figure 10. Slit-Imaging Coincidence-Free Version of the Ghost Interference Experiment Demonstrating Superluminal and Retrocausal Signaling .. 17 Figure 11. A Superluminal Nonlocal Communication System in Which the Communication Spans a Spacelike Interval ........................................ 20 Figure 12. Schematic of Earth-to-Mars Real-Time Control of a Rover ................... 21 UNCLASSIFIED/ /FOA 0FFl&l.t.L WSE OHL'/ iii

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TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 5

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL As implicações do entrelaçamento e da não localidade quânticos para a comunicação espacial Prefácio e introdução Este artigo revisa o entrelaçamento e a não localidade quânticos e considera a possibilidade de que esse fenômeno seja usado para enviar sinais de observador a observador. Uma demonstração desse tipo violaria vários "teoremas quânticos de impossibilidade de sinalização" da literatura de física. A sinalização quântica não local teria implicações de grande alcance, como tecnologia habilitadora da sinalização superluminal e retrocausal. São descritos cenários que poderiam levar à comunicação quântica não local, e consideram-se aplicações à sinalização retrocausal e à comunicação espacial em tempo real. Considera-se também, brevemente, o que a mecânica quântica não linear implica para a comunicação não local. A comunicação no espaço, na escala do sistema solar, é severamente limitada pela escala de espaço-tempo imposta pela velocidade da luz. Sinais luminosos, sejam sob a forma de ondas de rádio, micro-ondas, luz visível, raios X ou raios gama, levam cerca de 3,3 microssegundos para percorrer 1 quilômetro. Um sinal luminoso enviado da Terra leva cerca de 1,3 segundo para chegar à Lua, entre 4,4 e 20 minutos para chegar a Marte e entre 4 e 4,3 horas para chegar a Netuno, conforme suas posições orbitais. Esse atraso torna impossível o controle em tempo real de dispositivos espaciais remotos e leva à necessidade de dispositivos robóticos pré-programados, com "inteligência" suficiente para executar operações limitadas com um mínimo de controle remoto. O peso dessas limitações levanta a questão de haver alguma maneira de acelerar o enlace de comunicações espaciais. A resposta convencional é "Não!", porque a bem estabelecida teoria da relatividade restrita é vista como limitando a velocidade de transmissão de sinais à velocidade da luz, com as comunicações superluminais estritamente proibidas. Entretanto, como será discutido na Seção III, a relatividade proíbe apenas certas formas de comunicação superluminal, enquanto outras formas não entram em conflito com ela. Um fenômeno que parece, ao menos superficialmente, apresentar aspectos superluminais e ao mesmo tempo preservar a compatibilidade com a relatividade restrita é a não localidade quântica, a capacidade de fenômenos quânticos de impor correlações entre estados quânticos separados por grandes distâncias no espaço-tempo. Quando dois fótons emergem de um único evento quântico, o estado de um fóton pode estar sutilmente ligado ao do outro. A visão clássica é que, uma vez separados, os estados desses fótons devem estar fixados segundo a mecânica e as relações de conservação que atuam no ponto de sua origem, de modo que modificar um deles depois não afetará o outro. Na física quântica, porém, como confirmado por experimentos (Referências 1, 2), o resultado da medição do estado de um dos fótons, mesmo bem depois do ponto de sua criação conjunta, pode afetar o estado do outro fóton. Essa conexão é chamada de entrelaçamento quântico, expressão cunhada por Erwin Schrödinger (Referência 3). As questões levantadas pelo fenômeno do entrelaçamento quântico são: (1) qual é a conexão causal entre estados entrelaçados e (2) se o fenômeno poderia ser usado para enviar sinais de observador a observador. Este NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL iv

Nota editorial: Prefácio e introdução: o estudo pergunta se o entrelaçamento quântico poderia servir para sinais entre observadores e por que isso importaria para comunicações no sistema solar.

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UNCLASSIFIED/ /P81t errl@IAL ~SI! 8HL'I The Space-Communication Implications of Quantum Entanglement and Nonlocality Foreword and Introduction This paper reviews quantum entanglement and nonlocality and considers the possibility that this phenomenon could be used for sending observer-to­ observer signals. Such a demonstration would break several quantum "no­ signal theorems" in the physics literature. Nonlocal quantum signaling would have far-reaching implications as an enabling technology for superluminal and retrocausal signaling. Scenarios that might lead to nonlocal quantum communication are described, and applications to retrocausal signaling and real-time space communication are considered. Also considered briefly is the nonlocal communication implications of nonlinear quantum mechanics. Communication in space at the scale of the solar system is severely limited by the space-time scale set by the speed of light. Light signals, whether in the form of radio waves, microwaves, visible light, X-rays, or gamma rays, require about 3.3 microseconds to travel a distance of 1 kilometer. A light signal sent from Earth requires about 1.3 seconds to reach the Moon, between 4.4 and 20 minutes to reach Mars, and between 4 and 4.3 hours to reach Neptune, depending on their orbital positions. This time delay makes real-time control of remote space-based devices impossible and leads to the need for pre­ programmed robotic devices with enough "intelligence" to perform limited operations with a minimum of remote control. The burden of these limitations raises the question of whether there is some way to speed up the space communications link. The conventional answer is "No!," because the well-established special theory of relativity is viewed as limiting signal transmission speed to the speed of light, with superluminal communications strictly forbidden. However, as will be discussed in Section III, relativity prohibits only certain forms of superluminal communication, while other forms are not in conflict with relativity. One phenomenon that appears, at least superficially, to exhibit superluminal aspects while preserving compatibility with special relativity is quantum nonlocality, the ability of quantum phenomena to enforce correlations between quantum states over large separations in space-time. When two photons emerge from a single quantum event, the state of one photon may be subtly connected to that of the other. The classical view is that, once separated, such photon states must be fixed according to mechanics and conservation relations that act at the point of their origin, so that modifying one later will not affect the other. In quantum physics, however, as borne out by experiment (Reference 1, 2), the outcome of a measurement of the state of one of the photons, even well after their point of joint creation, can affect the state of the other photon. This connection is referred to as quantum entanglement, a phrase first coined by Erwin Schrodinger (Reference 3). Questions raised by the phenomenon of quantum entanglement are: (1) what is the causal connection between entangled states, and (2) can the phenomenon possibly be used for sending observer-to-observer signals? This UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&I.t.k Wliliii QfslL¥ iv

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TRECHO 29 · PÁGINA FÍSICA 6

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL artigo tenta abordar essas questões examinando de perto o entrelaçamento quântico, a não localidade quântica, os experimentos que as exploraram e experimentos propostos para testar as questões de causalidade e de comunicação mais rápida que a luz evocadas por essa física. O entrelaçamento quântico descreve a condição de partes separadas de um mesmo sistema quântico em que cada uma das partes só pode ser descrita por referência ao estado das outras partes. Este é um dos aspectos mais contraintuitivos da mecânica quântica, porque, classicamente, esperar-se-ia que partes de um sistema sem contato "local" fossem completamente independentes. O entrelaçamento representa, assim, uma espécie de "conectividade" quântica em que medições feitas em uma parte isolada de um sistema quântico entrelaçado têm consequências não clássicas para o resultado de medições feitas na outra parte (possivelmente muito distante) do mesmo sistema. Essa conectividade quântica que atua em sistemas quânticos entrelaçados é chamada de não localidade quântica. A não localidade foi destacada pela primeira vez por Albert Einstein e seus colaboradores Boris Podolsky e Nathan Rosen em seu célebre artigo EPR (Referência 4). Eles argumentaram que a conectividade não local dos sistemas quânticos era não física, pois implicava uma conexão mais rápida que a luz, em aparente conflito com a relatividade restrita. Apesar da objeção, a não localidade quântica foi demonstrada (ver Seção I) em muitos sistemas quânticos (Referências 1, 2). Na comunidade da física, reconhece-se hoje, em geral, que ela está implícita no formalismo quântico aplicado a sistemas entrelaçados, embora permaneçam alguns "resistentes" de Copenhague, que exigiriam uma demonstração explícita de sinalização não local antes de admitir que a não localidade possa ser considerada um fenômeno quântico real. A questão investigada neste artigo é se a não localidade quântica é domínio privado da natureza ou se pode ser usada em situações experimentais para enviar sinais de um observador a outro. Como veremos, não há atualmente resposta convincente para essa pergunta. Contudo, é claro que, se tal comunicação não local de observador a observador fosse possível, teria implicações de grande alcance. Em particular, representaria uma tecnologia habilitadora da sinalização e das comunicações superluminais (e retrocausais) e talvez tornasse possível a exploração do universo em tempo real. NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL v

Nota editorial: Fim do prefácio: define entrelaçamento e não localidade, lembra o artigo EPR e afirma que não há resposta convincente sobre a sinalização.

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UNCLASSIFIED/ /FOR [email protected] WS& OPtklf paper attempts to address these questions by taking a close look at quantum entanglement, quantum nonlocality, the experiments that have explored them, and proposed experiments to test the causal and faster-than-light communication issues evoked by such physics. Quantum entanglement describes the condition of separated parts of the same quantum system in which each of the parts can be described only by referencing the state of other parts. This is one of the most counterintuitive aspects of quantum mechanics, because classically one would expect system parts out of "local" contact to be completely independent. Thus, entanglement represents a kind of quantum "connectedness" in which measurements on one isolated part of an entangled quantum system have nonclassical consequences for the outcome of measurements performed on the other (possibly very distant) part of the same system. This quantum connectedness acting in entangled quantum systems is called quantum nonlocality. Nonlocality was first highlighted by Albert ~instein and his coworkers Boris _fodolsky and Nathan ,Rosen in their famous EPR paper (Reference 4). They argued that the nonlocal connectedness of quantum systems was unphysical in that it implied a faster-than-light connection in apparent conflict with special relativity. Despite their objection, quantum nonlocality has now been demonstrated (see Section I) in many quantum systems (Reference 1, 2). In the physics community, it is now generally acknowledged to be implicit in the quantum formalism as applied to entangled systems, although there remain a few Copenhagen "holdouts" who would require an explicit demonstration of nonlocal signaling before admitting that nonlocality can be considered a real quantum phenomenon. The question investigated in this paper is whether quantum nonlocality is the private domain of nature or whether it can be used in experimental situations to send signals from one observer to another. As we will see, there is at present no compelling answer to this question. However, it is clear that if such nonlocal observer-to-observer communication were possible, it would have far-reaching implications. In particular, it would represent an enabling technology for superluminal (and retrocausal) signaling and communications, and perhaps make possible the real-time exploration of the universe. UNCLASSIFIED/ /rOR. 0rr1e11et U:!I! OHL I V

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TRECHO 30 · PÁGINA FÍSICA 7

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL I. Entrelaçamento quântico, não localidade e experimentos EPR Na descrição mecânico-quântica de entidades elementares como os fótons, há uma dualidade entre a descrição como partícula e como onda. Pode-se pensar nos fótons como viajando pelo espaço como ondas, mas entregando energia (e outras grandezas conservadas) na detecção como partículas. Ao escolher os tipos de medição feitos nesses objetos, é possível forçar que um comportamento ondulatório ou corpuscular se manifeste nos resultados das medições. Entre as partes entrelaçadas de um sistema quântico (por exemplo, a emissão de um par de fótons entrelaçados), esse comportamento ondulatório ou corpuscular numa medição feita em uma parte do sistema pode forçar comportamento semelhante na outra parte. Isso é considerado mais adiante, na Seção IV. A condição de entrelaçamento quântico costuma ser consequência de alguma lei de conservação que atua dentro do sistema, de modo que os subsistemas ficam ligados pelas grandezas conservadas. Por exemplo, se dois fótons são emitidos em direções opostas num estado conjunto de momento angular zero e paridade positiva, então, seja qual for o estado de polarização linear ou circular medido em um fóton, o outro fóton deve ter polarização idêntica se medido na mesma base (linear ou circular). Essa condição deve existir para garantir que o momento angular líquido dos dois estados de fóton seja zero. Nessa situação, se os fótons são medidos quanto à polarização circular, ambos devem estar em estados de polarização circular à direita ou em estados de polarização circular à esquerda. Como a polarização linear é uma superposição coerente de estados de polarização circular, se medidos na base de polarização linear vertical/horizontal, devem estar no mesmo estado de polarização vertical ou horizontal e, na base de polarização linear a 45° à esquerda ou à direita, devem estar no mesmo estado de polarização a 45° à esquerda/direita. Classicamente, tal condição de correlação de polarização poderia em princípio existir em alguma base de polarização particular, mas não em todas as muitas bases de polarização possíveis simultaneamente. Esta é a física subjacente às desigualdades de Bell (Referência 8), que tratam da taxa de queda das correlações quando a base de polarização de uma das medições é girada em ângulo. As desigualdades de Bell demonstram matematicamente que as previsões das teorias semiclássicas locais de variáveis ocultas são inconsistentes com as da mecânica quântica padrão. Testes dessas correlações de polarização foram a base de vários testes das desigualdades de Bell (os chamados experimentos EPR), nos quais a validade das previsões da mecânica quântica e as insuficiências das teorias semiclássicas locais de variáveis ocultas foram demonstradas com alta precisão estatística (Referências 1, 2). Demonstrou-se depois (Referências 5, 6) que as questões em torno de uma violação das desigualdades de Bell podiam ser separadas em violações da independência de parâmetro (a probabilidade de resultado de uma medição em uma de um par de partículas entrelaçadas é independente da escolha dos parâmetros de uma medição feita no outro membro do par entrelaçado) e violações da independência de resultado (a probabilidade de resultado de uma medição em uma de um par de partículas entrelaçadas é independente do resultado de uma medição feita no outro membro do par entrelaçado). A observação de uma violação das desigualdades de Bell indica uma violação da independência de parâmetro ou da independência de resultado (ou de ambas). A independência de resultado é bastante evidente no formalismo quântico, enquanto a independência de parâmetro é mais esquiva e depende de hipóteses específicas. A seguir, as NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 1

Nota editorial: Seção I: pares de fótons, polarização, desigualdades de Bell e a distinção entre independência de parâmetro e de resultado.

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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFI&iIAk W&li OPlklf I. Quantum Entanglement , Nonlocality , and EPR Experiments In the quantum mechanical description of elementary entities like photons, there is a duality between the description as a particle and as a wave. Photons can be thought of as traveling through space as waves but delivering energy (and other conserved quantities) at detection as particles. By choosing the kinds of measurements made on such objects, one can force wave-like or particle-like behavior to be exhibited in the measurements results. Between the entangled parts of a quantum system (for example, the emission of a pair of entangled photons), this wave-like or particle-like behavior in a measurement on one part of the system may force similar behavior in the other part. This is considered further in Section IV below. The quantum entanglement condition is usually a consequence of some conservation law acting within the system, so that the subsystems are connected by the conserved quantities. For example, if two photons are emitted back to back in a joint state that has zero angular momentum and positive parity, then whatever linear or circular polarization state one photon is measured to have, the other photon must have an identical polarization if measured in the same basis (linear or circular). This condition must exist to ensure that the net angular momentum of the two photon states is zero. In this situation, if the photons are measured for circular polarization, they must both be in states of right circular polarization or in states of left circular polarization. Because linear polarization is a coherent superposition of circular polarization states, if measured in the vertical/horizontal linear polarization basis, they must be in the same vertical or horizontal polarization state, and in the 45° left or right linear polarization basis, they must be in the same 45° left/r ight polarization state. Classically, such a polarization correlation condition could in principle exist in some particular polarization basis but not in all of the many possible polarization bases simultaneously. This is the underlying physics of the Bell Inequalities (Reference 8), which deal with the falloff rate of the correlations as the polarization basis of one of the measurements is rotated in angle. The Bell Inequalities demonstrate mathematically that the predictions of semi-classical local hidden-variable theories are inconsistent with those of standard quantum mechanics. Tests of such polarization correlations have been the basis for a number of Bell-Inequality tests (or so-called EPR experiments), in which the validity of the predictions of quantum mechanics and the inadequacies of semi-classical local hidden-variable theories have been demonstrated to high statistical precision (Reference 1, 2) . It was later demonstrated (Reference 5, 6) that the issues surrounding a violation of the Bell Inequalities could be separated into violations of either parameter independence (the outcome probability of a measurement on one of a pair of entangled particles is independent of the choice of parameters of a measurement performed on the other member of the entangled pair) and violations of outcome independence (the outcome probability of a measurement on one of a pair of entangled particles is independent of the outcome of a measurement performed on the other member of the entangled pair). The observation of a violation of the Bell Inequalities indicates a violation of either parameter independence or outcome independence (or both). Outcome independence is fairly evident in the quantum formalism, while parameter independence is more elusive and depends on specific assumptions. Below, the UNCLASSIFIED/ /rOR. 0rr1e11et U:!I! OHL I 1

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TRECHO 31 · PÁGINA FÍSICA 8

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL implicações dessa dicotomia são consideradas no contexto dos teoremas de "impossibilidade de sinalização". Observa-se que há alguma desinformação na literatura quanto à cronologia dos experimentos bem-sucedidos de correlação de polarização EPR, e aqui desejamos pôr os fatos, ao menos um pouco, em ordem. A medição experimental que primeiro demonstrou uma correlação de polarização ligada à não localidade EPR foi feita por C. S. Wu e I. Shanknov em 1949 (Referência 7), bem antes do trabalho de Bell e do interesse subsequente em testar a desigualdade de Bell. Wu e Shanknov mostraram que as polarizações lineares de raios gama entrelaçados emitidos em direções opostas, da aniquilação elétron-pósitron (um estado L=0 de paridade negativa), eram anticorrelacionadas; por exemplo, se um fóton estava polarizado verticalmente, o outro estava polarizado horizontalmente. Eles não investigaram, porém, a queda da correlação com o ângulo do polarímetro, que é a base dos testes da desigualdade de Bell, nem apresentaram seus resultados como consequência da não localidade quântica. Passaram-se quase duas décadas até a publicação do trabalho fundamental de John Bell (Referência 8), em 1964 e 1966. Em 1972, Freedman e Clauser (Referência 1) realizaram o primeiro teste definitivo da desigualdade de Bell, medindo a correlação de polarização de fótons entrelaçados de uma cascata atômica L=0 de paridade positiva no cálcio. Seus resultados concordaram com as previsões da mecânica quântica e foram inconsistentes com as teorias locais de variáveis ocultas por 6,7 desvios padrão. Uma década depois, em 1982, as medições EPR do grupo de Aspect (Referência 2) eliminaram vários cenários de "brecha" que poderiam constituir maneiras improváveis de preservar a localidade clássica e, de novo, demonstraram concordância com a mecânica quântica e inconsistência com as teorias locais de variáveis ocultas, desta vez por 46 desvios padrão. Em um exemplo mais recente de experimento EPR, o grupo de Gisin (Referência 9) usou os cabos de fibra óptica da companhia telefônica suíça para demonstrar a conexão não local entre medições EPR feitas em Genebra e Berna, cidades suíças com separação em linha de visada de 156 km, uma demonstração direta, se fosse necessária, de que a não localidade quântica pode operar a distâncias bastante grandes. [Figura 1: rótulos do esquema: lente; filtro; polarizador 2; fotomultiplicador; discriminador; analisador de altura de pulso (P.H.A.); atraso; coincidência; conversor de tempo em amplitude (T.A.C.); forno de cálcio (Ca-OVEN); lente; polarizador 1.] Figura 1. Esquema do experimento Freedman-Clauser de 1972 (Referência 1) NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 2

Nota editorial: Cronologia dos experimentos de correlação de polarização (Wu e Shanknov, Freedman e Clauser, Aspect, Gisin) e a Figura 1, esquema do experimento de 1972.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /P91t 9ffl@IAL WSE &P•Llf implicat ions of this dichotomy are considered in the context of the "no-signal" theorems . It is noted that there is some misinformation in the literature concerning the chronology of successful EPR polarization correlation experiments, and here we wish to set the record at least somewhat straighter. The experimental measurement that first demonstrated a polarization correlation related to EPR nonlocality was performed by C. S. Wu and I. Shanknov in 1949 (Reference 7), well before Bell's work and the subsequent interest in testing Bell's Inequality. Wu and Shanknov showed that the linear polarizations of back-to-back entangled gamma rays from electron-positron annihilation (an L=O negative parity state) were anticorrelated, for example, if one photon was polarized vertically, then the other was polarized horizontally. They did not, however, investigate the falloff of the correlation with polarimeter angle, which is the basis of Bell Inequality tests, nor did they depict their results as a consequence of quantum nonlocality. Almost two decades passed before the publication of John Bell's pivotal work (Reference 8) in 1964 and 1966. In 1972, Freedman and Clauser (Reference 1) performed the first definitive Bell inequality test by measuring the polarization correlation of entangled photons from a positive parity L=O atomic cascade in calcium. Their results were in agreement with the predictions of quantum mechanics and were inconsistent with local hidden-variable theories by 6. 7 standard deviations. A decade later, in 1982, EPR measurements of the Aspect group (Reference 2) eliminated several "loophole" scenarios that might constitute unlikely ways of preserving classical locality and again demonstrated agreement with quantum mechanics and inconsistency with local hidden­ variable theories, this time by 46 standard deviations. In a more recent example of an EPR experiment, the Gisin group (Reference 9) used the fiber-optic cables owned by the Swiss Telephone System to demonstrate the nonlocal connection between EPR measurements made at locations in Geneva and Bern, Swiss cities with a line -of-sight separation of 156 km-a direct demonstration, if one was required, that quantum nonlocality can operate over quite large distances. LENS ~ FILTER POLARIZER 2 ~LE , ....._ _ _ __-..i DISC. f8 P.H.A. ELAY COINC . COINC. TA.C. Ca-OVEN LENS RI ~ '~ POLARIZER I =--------i Figure 1. Schematic of the 1972 Freedman-Clauser Experiment (Reference 1) UNCLASSIFIED/ /FOil OFFl@IAL W!H! 9HL1/ 2

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.

TRECHO 32 · PÁGINA FÍSICA 9

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NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL Esses experimentos EPR constituem uma demonstração da existência da não localidade quântica? Há mais de uma maneira de interpretar as implicações dos resultados experimentais (Referências 1, 2), e encontra-se muita discussão na literatura sobre se o que foi refutado por essas medições EPR é a localidade ou o "realismo" (a realidade objetiva dos eventos externos, independente do observador). O Prêmio Nobel Anthony Leggett, da Universidade de Illinois, levou recentemente essa questão um pouco mais longe (Referência 10). Ele demonstrou que, ao focalizar a queda das correlações com a polarização elíptica, em vez da polarização linear usada nos experimentos EPR das desigualdades de Bell, é possível comparar as previsões da mecânica quântica com uma classe de teorias realistas não locais que ele construiu. As desigualdades de Leggett resultantes podem ser usadas do mesmo modo que as de Bell, mas para testar teorias que incorporam realismo não local em vez de realismo local. O grupo de Anton Zeilinger no Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI), em Viena, realizou um teste definitivo das desigualdades de Leggett (Referência 11). Os resultados mostram que, com fótons entrelaçados de polarização elíptica, as desigualdades de Leggett em dois observáveis são violadas por 3,6 e por 9 desvios padrão. Isso é interpretado como uma falsificação estatisticamente significativa de toda a classe de teorias realistas não locais construídas por Leggett. O grupo do IQOQI resume seus resultados com a afirmação de que acredita que seus resultados dão forte respaldo à visão de que qualquer extensão futura da teoria quântica que concorde com os experimentos deve abandonar certas características das descrições realistas. É nossa opinião, contudo, que isso é sobretudo um exercício de demolir um "espantalho". As teorias realistas não locais de Leggett supõem que, quando os fótons entrelaçados emergem de sua fonte de emissão, eles estão num estado definido de polarização. É bem sabido que, quando essa hipótese (e nenhuma outra) é feita, não se observa a previsão mecânico-quântica da Lei de Malus para as correlações do par de fótons. Entretanto, Leggett resolve esse problema supondo um mecanismo de conexão não local não especificado entre os sistemas de detecção, que corrige a discrepância. Na prática, as duas medições "conversam" entre si de modo não local, de tal maneira que os fótons detectados, polarizados linearmente, obedecem à Lei de Malus e produzem as mesmas correlações de polarização linear previstas pelos cálculos da mecânica quântica. Leggett mostra então que essa "correção" não local não pode ser estendida ao domínio da polarização elíptica e que a mecânica quântica e esse tipo de teoria realista não local dão previsões diferentes para as correlações de polarização elíptica. Em outras palavras, a "realidade" que está sendo testada é se a fonte de fótons emite inicialmente os fótons entrelaçados num estado definido de polarização. É essa versão da "realidade" que foi falsificada pelas medições do IQOQI. É nossa opinião que essa hipótese, claramente inconsistente com o formalismo da mecânica quântica, é inválida e que a natureza é ao mesmo tempo não local e não realista, se por realismo se entende que, quando os fótons entrelaçados emergem de sua fonte de emissão, eles estão num estado definido de polarização. Essa definição muito restrita de realismo não é necessária, e supõe-se que a não localidade intrínseca da mecânica quântica padrão seja um fato físico. Observa-se que as várias bases de polarização usadas nesses tipos de experimentos EPR de polarização tornam direta a demonstração das conexões quânticas não locais, mas tornam também efetivamente impossível usar essas conexões para a sinalização de observador a NÃO CLASSIFICADO // SOMENTE PARA USO OFICIAL 3

Nota editorial: Discussão das desigualdades de Leggett e crítica dos autores ao realismo restrito que elas testam.

Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /POK OFFICIAL tt.!I!! 8HL'f Do these EPR experiments constitute a demonstration of the existence of quantum nonlocality? There is more than one way of interpreting the implications of the experimental results (Reference 1, 2), and one can find much discussion in the literature as to whether it is locality or "realism" (the objective observer- independent reality of external events) that has been refuted by these EPR measurements. Noble Laureate Anthony Leggett of the University of Illinois recently pushed this issue somewhat further (Reference 10). He demonstrated that by focusing on the falloff of correlations with elliptical polarization rather than the linear polarization used in the Bell Inequality EPR experiments, one can compare the predictions of quantum mechanics with a class of nonlocal realistic theories that he constructed. The resulting Leggett Inequalit ies can be used in the same way as the Bell Inequalities, but to test theories incorporating nonlocal realism instead of local realism. Anton Zeilinger's group at the Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) in Vienna performed a definitive test of the Leggett Inequalities (Reference 11). The results show that using elliptically polar ized entangled photons, the Leggett Inequalities in two observables are violated by 3.6 and by 9 standard deviations. This is interpreted as a statistically significant falsification of the whole class of nonlocal realistic theories constructed by Leggett. The IQOQI group summarizes its results with the statement "We believe that our results lend strong support to the view that any future extension of quantum theory that is in agreement with experiments must abandon certain features of realistic descriptions ." It is our view, however, that this is mainly an exercise in demolishing a "strawman." Leggett's nonlocal realistic theories assume that when entangled photons emerge from their emission source, they are in a definite state of polarization. It is well known that when that assumption (and no others) is made, one does not observe the quantum mechanical prediction of Malus's Law for the correlations of the photon pair . However, Leggett solves that problem by assuming an unspecified nonlocal connection mechanism between the detection systems that fixes the discrepancy. In effect, the two measurements talk to each other nonlocally in such a way that the detected linearly polarized photons obey Malus's Law and produce the same linear polarization correlations predicted by quantum mechanics calculations. Leggett then shows that this nonlocal "fix" cannot be extended into the realm of elliptical polarization, and that quantum mechanics and this type of nonlocal realistic theories give differing predictions for the elliptic polarization correlations. In other words, the "reality" that is being tested is whether the photon source is initially emitting the entangled photons in a definite state of polarization. It is this version of "reality" that has been falsified by the IQOQI measurements. It is our view that this assumption, clearly inconsistent with the formalism of quantum mechanics, is invalid, and that nature is both nonlocal and unrealistic, if by realism one means that when entangled photons emerge from their emission source, they are in a definite state of polarization. This very restricted definition of realism is not required, and it is assumed that the intrinsic nonlocality of standard quantum mechanics is a physical fact. It is noted that the several polarization bases used in t hese ki nds of polarization EPR experiments make demonstrating the quantum nonlocal connections straightforward but also make it effectively impossible to use those connections for observer-to- UNCLASSIFIED/ /FOR: OFFI&il.t.k W&liii OP•k¥ 3

Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.

Datas e contexto documental

Acontecimento
Não estabelecida — Estudo teórico, sem evento datado.
Documento
30/03/2010 — Data impressa na capa; a data de corte de informação (ICOD) indicada é 1º de dezembro de 2009.
Publicação
Não estabelecida — Divulgação pelo Departamento de Guerra, em lote de documentos AAWSAP.

Origem e divulgação

Defense Intelligence Agency, Escritório de Alerta de Defesa (DWO-3); autor mascarado "AAP Person 76" · DOW-UAP-D133_AAWSAP-DIRD-The-Space-Communication-Implications-of-Quantum-Entanglement-and-Nonlocality-March-30-2010.pdf

Páginas físicas 1 a 32 conferidas.

Relatos relacionados e suas diferenças

Perguntas para continuar a investigação

  • O experimento sem coincidências descrito como em andamento foi realizado e com que resultado?
  • Existe um ponto intermediário viável entre coerência e entrelaçamento? O estudo deixa a pergunta em aberto.
  • O texto não explica a razão da encomenda dentro do programa AAWSAP, além do tema de comunicação espacial.

GEOGRAFIA DO CASO

Washington, D.C., EUA

Referência aproximada ao endereço da DIA indicado no expediente, posicionada pela redação. Não indica local de experimento ou de observação.

RASTRO DOCUMENTAL

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As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.

  1. DOW-UAP-D133_AAWSAP-DIRD-The-Space-Communication-Implications-of-Quantum-Entanglement-and-Nonlocality-March-30-2010.pdf

    Páginas físicas 1 a 32: relatório completo, de 30/03/2010; páginas 1 e 2 (capa e expediente), 18 (Figura 7), 27 (Figura 12) e 30 e 31 (glossário)

    DOW · 32 páginas

Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.

UMA HISTÓRIA LEVA A OUTRA

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