Introdução
Este mês, três cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho provando uma das realidades mais contra-intuitivas, porém consequentes, do mundo quântico. Eles mostraram que duas partículas quânticas emaranhadas devem ser consideradas um único sistema – seus estados inexoravelmente entrelaçados entre si – mesmo que as partículas estejam separadas por grandes distâncias. Na prática, este fenómeno de “não localidade” significa que o sistema que temos à nossa frente pode ser instantaneamente afetado por algo que está a milhares de quilómetros de distância.
O emaranhamento e a não localidade permitem que os cientistas da computação criem códigos indecifráveis. Em uma técnica conhecida como distribuição de chaves quânticas independente de dispositivo, um par de partículas é emaranhado e depois distribuído a duas pessoas. As propriedades partilhadas das partículas podem agora servir como um código, que manterá as comunicações seguras mesmo a partir de computadores quânticos – máquinas capazes de quebrar as técnicas clássicas de encriptação.
Mas por que parar em duas partículas? Em teoria, não há limite máximo para quantas partículas podem compartilhar um estado emaranhado. Durante décadas, os físicos teóricos imaginaram conexões quânticas de três, quatro e até mesmo de 100 vias – o tipo de coisa que permitiria uma Internet totalmente distribuída e protegida por quantum. Agora, um laboratório na China conseguiu o que parece ser um emaranhado não local entre três partículas ao mesmo tempo, aumentando potencialmente a força da criptografia quântica e as possibilidades das redes quânticas em geral.
“A não-localidade bipartidária já é bastante louca”, disse Peter Bierhorst, um teórico da informação quântica da Universidade de Nova Orleans. “Mas acontece que a mecânica quântica pode fazer coisas que vão além disso quando você tem três partes.”
Os físicos já emaranharam mais de duas partículas antes. O registro está em algum lugar entre 14 partículas e 15 trilhão, dependendo de para quem você perguntar. Mas estes aconteciam apenas em distâncias curtas, com apenas alguns centímetros de distância, no máximo. Para tornar o emaranhamento multipartidário útil para a criptografia, os cientistas precisam ir além do simples emaranhamento e demonstrar a não localidade – “um padrão alto a ser alcançado”, disse Elie Wolfe, teórico quântico do Perimeter Institute for Theoretical Physics em Waterloo, Canadá.
A chave para provar a não localidade é testar se as propriedades de uma partícula correspondem às propriedades da outra – a marca registrada do emaranhamento – uma vez que estejam suficientemente distantes umas das outras para que nada mais possa causar os efeitos. Por exemplo, uma partícula que ainda está fisicamente próxima do seu gêmeo emaranhado pode emitir radiação que afeta o outro. Mas se estiverem separados por um quilómetro e meio e forem medidos praticamente instantaneamente, então provavelmente estão ligados apenas por emaranhamento. Os experimentadores usam um conjunto de equações chamadas Desigualdades de sino para descartar todas as outras explicações para as propriedades vinculadas das partículas.
Com três partículas, o processo de provar a não localidade é semelhante, mas há mais possibilidades de descartar. Isto aumenta a complexidade das medições e dos obstáculos matemáticos que os cientistas devem percorrer para provar a relação não local das três partículas. “É preciso encontrar uma maneira criativa de abordar isso”, disse Bierhorst – e ter a tecnologia para criar as condições certas no laboratório.
Nos resultados publicados em agosto, uma equipe em Hefei, na China, deu um salto crucial. Primeiro, ao disparar lasers através de um tipo especial de cristal, eles enredada três fótons e os colocou em diferentes áreas do centro de pesquisa, separados por centenas de metros. Então eles mediram simultaneamente uma propriedade aleatória de cada fóton. Os pesquisadores analisaram as medições e descobriram que a relação entre as três partículas era melhor explicada pela não localidade quântica de três vias. Foi a demonstração mais abrangente da não localidade tripartida até hoje.
Tecnicamente, ainda existe uma pequena chance de que algo tenha causado os resultados. “Ainda temos algumas lacunas abertas”, disse Xuemei Gu, um dos principais autores do estudo. Mas, ao separar as partículas, conseguiram descartar a explicação alternativa mais flagrante para os seus dados: a proximidade física.
Os autores também basearam seu experimento em um novo definição mais estrita da não localidade tripartida que vem ganhando força nos últimos anos. Embora experiências anteriores permitissem a cooperação entre os dispositivos que mediam os fotões, os três dispositivos de Gu não conseguiam comunicar. Em vez disso, eles fizeram medições aleatórias das partículas – uma restrição que seria útil em cenários criptográficos onde qualquer comunicação pode ser comprometida, disse Renato Renner, físico quântico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique. (Usando o paradigma mais antigo, uma equipe canadense demonstraram não localidade tripartida à distância em 2014.)
Agora que os investigadores que seguem a nova definição conseguiram emaranhar com sucesso partículas tão distantes, podem concentrar-se em expandir ainda mais a distância.
“É um passo importante para fazer experimentos de longa distância e em maior escala”, disse Saikat Guha, um teórico da informação quântica da Universidade do Arizona.
Mais diretamente, esta tecnologia pode impulsionar uma distribuição de chaves quânticas mais expansiva, disse Renner. Se você usar partículas emaranhadas como chave para a criptografia, as mesmas desigualdades de Bell que os físicos usam para testar a não localidade podem garantir que seu segredo esteja completamente seguro. Então, mesmo que o dispositivo que você usa para enviar ou receber uma mensagem seja manipulado maliciosamente por seu pior inimigo, ele não será capaz de determinar sua chave quântica. Esses segredos ficam entre você e quem está com a outra partícula emaranhada.
Introdução
A distribuição de chaves quânticas é “aquilo que entusiasma as pessoas”, disse Renner. Ano passado, três grupos separados demonstraram o protocolo em laboratório, embora ainda em pequena escala. É por isso que a não localidade tripartida será tão importante. “Em princípio, você tem muito mais poder criptográfico”, porque essas conexões de três vias não podem ser simuladas juntando alguns links bidirecionais.
“É um nível de fenômeno fundamentalmente novo”, disse Bierhorst, que poderia expandir a criptografia independente de dispositivo, da comunicação básica bidirecional para uma rede inteira de compartilhadores de segredos.
Além da criptografia, o emaranhamento multipartidário também abre possibilidades para outros tipos de redes quânticas. Pesquisadores como Guha estão trabalhando em um internet quântica, que poderia conectar computadores quânticos da mesma forma que a Internet normal conecta dispositivos comuns. Este sistema reuniria o poder de computação de muitos dispositivos quânticos, conectando milhões de partículas com vários níveis de emaranhamento em distâncias variadas. Temos todos os blocos de construção individuais para tal sistema, disse Guha, mas montá-lo “é um enorme, enorme desafio de engenharia”. Com este objectivo em mente, os cientistas nos Países Baixos conseguiu ao emaranhar três partículas em uma rede que abrange dois laboratórios separados – embora, ao contrário da equipe de Gu, eles não estivessem focados em demonstrar a não localidade.
Este trabalho sobre o emaranhamento de três vias começou como “apenas um fenômeno interessante”, disse Bierhorst. Mas “quando você tem algo que a mecânica quântica pode fazer e que é impossível de fazer de outra forma, isso abrirá todos os tipos de novas possibilidades tecnológicas que podem ser exploradas de maneiras imprevistas”.
Por enquanto, alguns laboratórios demonstraram não localidade de quatro vias entre partículas que estão muito próximas umas das outras. “Esses experimentos são bastante especulativos neste momento. É preciso fazer muitas suposições”, disse Bierhorst.
Os experimentos tripartidos ainda dependem de algumas suposições. Os laureados com o Nobel passaram meio século a excluir essas lacunas nas suas experiências bidirecionais, tendo finalmente tido sucesso em 2017. Mas desde então percorremos um longo caminho tecnologicamente, disse Renner.
“O que [levou] décadas antes, agora acontecerá em cerca de um ano”, disse ele.
