Quebra de aleatoriedade: Um novo paradigma na física quântica
Em um estudo recente publicado na Physical Review Letters, pesquisadores introduziram uma abordagem inovadora que elimina a necessidade de aleatoriedade ao testar correlações quânticas e medidas não-projetivas. Essa descoberta representa uma mudança significativa em relação aos testes quânticos tradicionais que dependem fortemente de entradas aleatórias.
Correlação quântica é um conceito fundamental na mecânica quântica, desempenhando um papel central em várias aplicações quânticas, como comunicação, criptografia, computação e processamento de informações.
A desigualdade de Bell, nomeada em homenagem ao físico John Stewart Bell, tem sido há muito tempo o método padrão para avaliar a natureza das correlações quânticas. No entanto, ela apresenta um desafio, exigindo entradas genuinamente aleatórias para a seleção das configurações de medição.
Em termos mais simples, os experimentos devem usar entradas que sejam verdadeiramente aleatórias, o que pode ser difícil de alcançar. Além disso, depender da aleatoriedade pode ser custoso e suscetível a possíveis vulnerabilidades.
O estudo, liderado pela Dra. Jacquiline Romero da Universidade de Queensland e pelo Centro de Excelência em Sistemas Quânticos Engenheirados do Conselho Australiano de Pesquisa, introduz uma abordagem de teste alternativa que elimina a necessidade dessa aleatoriedade.
A Dra. Romero explicou: “Nossa pesquisa elimina a exigência rigorosa de aleatoriedade. Mostramos que a aleatoriedade compartilhada obtida a partir de moedas entrelaçadas não pode ser duplicada usando duas moedas clássicas correlacionadas com dois estados distintos. Essa descoberta nos permite estabelecer uma vantagem quântica no cenário experimental descrito em nosso artigo.”
Ela expressou sua empolgação com essa pesquisa, observando: “Estou sempre ansiosa para explorar experimentos que destacam as distinções entre informações clássicas e quânticas, pois esses experimentos despertam a curiosidade.”
Desigualdade de Bell e Independência de Dispositivos
A implementação de sistemas e protocolos quânticos do mundo real apresenta inúmeros desafios, sendo um deles a necessidade de modelagem precisa e conhecimento abrangente de todos os componentes do sistema. Sem esse conhecimento, os protocolos podem ser vulneráveis a várias ameaças.
Em cenários práticos, frequentemente não possuímos informações completas sobre os sistemas quânticos. O Dr. Manik Banik do Centro Nacional S.N. Bose para Ciências Básicas na Índia, co-autor do estudo, explicou: “A desigualdade de Bell serve como uma ferramenta crucial para certificar a não-classicidade de forma ‘independente de dispositivo’, permitindo protocolos totalmente independentes de dispositivo sem um conhecimento detalhado das operações do dispositivo quântico, em teoria.”
No entanto, cenários do mundo real geralmente envolvem um conhecimento parcial das características do dispositivo, levando ao que é conhecido como “semi-independência de dispositivo”. Nessas situações, possuímos algumas informações sobre o sistema quântico, como as dimensões dos subsistemas, mas não compreendemos completamente seu funcionamento interno.
A equipe propôs uma solução para essa tarefa de certificação baseada apenas em estatísticas de saída, mas exigia informações adicionais mínimas sobre a dimensão operacional do dispositivo. Essa abordagem é classificada como “semi-independente de dispositivo”.
Fótons Entrelaçados, Alice e Bob
A configuração experimental dependia da geração de fótons entrelaçados usando um cristal não linear por meio do processo de conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC). Em essência, esse processo absorve fótons de alta energia e gera espontaneamente pares de fótons entrelaçados de energia mais baixa.
Esses fótons entrelaçados foram enviados aleatoriamente para duas partes, Alice e Bob, usando um divisor de feixe. Alice e Bob mediram os modos espaciais dos fótons, descrevendo como os fótons estão distribuídos no espaço.
Para realizar medições nos fótons entrelaçados, Alice e Bob usaram operadores de medição positivos de qubit trine (POVMs), um conjunto de operadores de medição que representam medições não-projetivas. Medições não-projetivas vão além das medições projetivas padrão, permitindo uma caracterização mais abrangente de sistemas quânticos.
A equipe registrou resultados sempre que havia um resultado correlacionado entre Alice e Bob. Em seguida, realizaram cálculos para determinar distribuições conjuntas de probabilidade, permitindo-lhes avaliar a probabilidade de resultados de medição específicos estarem correlacionados entre as duas partes.
Por exemplo, se estivessem jogando um jogo com os fótons entrelaçados e medindo se ambos obtiveram “cara” (C) ou “coroa” (CR), uma distribuição conjunta de probabilidade forneceria informações sobre a probabilidade de ambos obterem C, ambos obterem CR ou um obter C e o outro obter CR.
Essa configuração é considerada semi-independente de dispositivo, pois as únicas variáveis conhecidas eram a entrada (fótons entrelaçados) e a saída (medições).
Vantagem Quântica e Aleatoriedade Compartilhada
No campo de sistemas quânticos, o conceito de vantagem quântica desafia noções clássicas de aleatoriedade. Nesse experimento, trata-se de demonstrar a aleatoriedade compartilhada.
Em sistemas clássicos como o lançamento de moedas, probabilidades predeterminadas ditam cada possível resultado. Por exemplo, uma moeda justa tem 50% de chance de cair ou em C ou em CR em cada lançamento. Em contraste, sistemas quânticos produzem resultados correlacionados que parecem aleatórios, mas são fundamentalmente entrelaçados.
Imagine uma situação em que Alice e Bob lançam independentemente suas respectivas moedas. Surpreendentemente, os resultados de seus lançamentos estão misteriosamente entrelaçados. Quando Alice obtém um C, Bob simultaneamente obtém um C, e quando Alice obtém um CR, Bob também obtém um CR.
Essa aleatoriedade compartilhada emerge por meio do entrelaçamento quântico, onde partículas se tornam interconectadas, e suas propriedades permanecem correlacionadas, independentemente da separação física.
A equipe demonstrou a vantagem quântica em seu experimento, mostrando que a moeda correlacionada obtida dos fótons entrelaçados não pode ser replicada usando duas moedas clássicas correlacionadas com dois estados distintos.
A Dra. Romero enfatizou as implicações para o processamento de informações quânticas, afirmando: “A aleatoriedade compartilhada é um recurso valioso para muitas tarefas. Protocolos de comunicação quântica, como certos esquemas de compartilhamento de segredos ou cálculos quânticos envolvendo um componente de distribuição de aleatoriedade (que aumenta a segurança), podem se beneficiar de nossas descobertas.”
Para futuras pesquisas, ela espera explorar a possibilidade de alcançar uma vantagem quântica de forma totalmente independente de dispositivos e demonstrá-la experimentalmente. [Phys]
