Físicos quânticos comemoraram em outubro quando o comitê do Nobel concedeu um muito esperado prêmio de física para Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger por seu pioneirismo pesquisa sobre emaranhamento quântico. Mas a comunidade certamente não está descansando sobre os louros e, com tantos outros desenvolvimentos empolgantes em 2022, é difícil escolher apenas alguns destaques. No entanto, aqui estão alguns resultados que se destacaram para nós nas áreas de sensoriamento quântico, informação quântica, computação quântica, criptografia quântica e ciência quântica fundamental.
Na mecânica quântica, o princípio da deslocalização afirma que uma partícula quântica pode, em algum sentido ondulado, estar em vários lugares ao mesmo tempo. O princípio do emaranhamento, por sua vez, afirma que as partículas quânticas experimentam uma conexão que permite que a condição de uma partícula determine a de outra, mesmo através de grandes distâncias. Em novembro, físicos da JILA no Colorado, EUA, usaram uma combinação de emaranhamento e deslocalização para suprimir o ruído que anteriormente impossibilitava a detecção de acelerações abaixo do chamado limite quântico. Esse limite é definido pelo ruído quântico de partículas individuais e há muito tempo é uma restrição significativa à precisão dos sensores quânticos. Superá-lo é, portanto, um grande passo à frente.
Enviar informações quânticas de um nó em uma rede para outro não é fácil. Se você codificar as informações em fótons enviados por uma fibra óptica, as perdas na fibra corroem a fidelidade do sinal até que se torne ilegível. Se, em vez disso, você usar o emaranhamento quântico para teletransportar a informação diretamente, introduzirá outros processos que, infelizmente, também degradam o sinal. Adicionando um terceiro nó à rede, como físicos da QuTech na Holanda fez em 2021, só torna a tarefa mais difícil. É por isso que é tão impressionante que os pesquisadores da QuTech seguiram seu sucesso anterior teletransportando informações quânticas de um remetente (Alice) para um receptor (Charlie) por meio de um nó intermediário (Bob). Embora a fidelidade da transmissão Alice-Bob-Charlie fosse de apenas 71%, isso é superior ao limite clássico de 2/3, e alcançá-lo exigiu que os pesquisadores combinassem e otimizassem vários experimentos desafiadores. Os nodos Dave, Edna e Fred entrarão na rede em 2023? Veremos!
Caso não tenha ficado claro nos dois primeiros destaques desta lista, o ruído é um grande problema na ciência quântica. Isso é tão verdadeiro para a computação quanto para a detecção e a comunicação, e é por isso que corrigir esses erros induzidos por ruído é tão importante. Físicos fizeram vários avanços nesta frente em 2022, mas uma das mais significativas ocorreu em maio, quando pesquisadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, e da Universidade RWTH Aachen, na Alemanha, demonstraram pela primeira vez um conjunto completo de operações quânticas tolerantes a falhas. Seu computador quântico de armadilha de íons usa sete qubits físicos para fazer cada qubit lógico, além de qubits de “sinalização” para sinalizar a presença de erros perigosos no sistema. Crucialmente, a versão corrigida de erros do sistema teve um desempenho melhor do que a versão não corrigida mais simples, ilustrando as possibilidades da técnica.
A segurança da informação é a USP da criptografia quântica, mas a informação é tão segura quanto o elo mais fraco da cadeia. Na distribuição de chaves quânticas (QKD), um possível elo fraco são os dispositivos usados para enviar e receber as chaves, que são vulneráveis a hacks convencionais (como alguém invadindo um nó e adulterando o sistema), mesmo que as próprias chaves sejam seguras contra quânticas. Uma alternativa é usar QKD independente de dispositivo (DIQKD), que usa medições de desigualdades de Bell em pares de fótons para confirmar que o processo de geração de chaves não foi falsificado. Em julho, dois grupos independentes de pesquisadores demonstraram o DIQKD experimentalmente pela primeira vez – em um caso, gerando 1.5 milhão de pares Bell emaranhados durante um período de oito horas e usando-os para gerar uma chave compartilhada de 95 bits. Embora a taxa de geração de chaves precise ser maior para tornar o DIQKD prático para redes criptografadas do mundo real, a prova de princípio é impressionante.
As outras partículas emaranhadas nesta lista de destaques são todas idênticas: fótons emaranhados com outros fótons, íons com outros íons, átomos com outros átomos. Mas não há nada na teoria quântica que exija esse tipo de simetria, e uma nova classe emergente de tecnologias quânticas “híbridas” realmente depende de misturar as coisas. Digite pesquisadores liderados por Armin Feist do Instituto Max Planck de Ciências Multidisciplinares, na Alemanha, que mostraram em agosto que podiam emaranhar um elétron e um fóton usando um microrressonador óptico em forma de anel e um feixe de elétrons de alta energia que passa pelo anel em uma tangente. A técnica tem aplicações para um processo quântico chamado “heralding”, no qual a detecção de uma partícula em um par emaranhado indica que a outra partícula está disponível para uso em um circuito quântico – um ótimo exemplo de como os avanços fundamentais de hoje impulsionam as inovações de amanhã.
Uma sacola de estranheza quântica
Finalmente, como é tradicional (nós o fizemos duas vezes, portanto é uma tradição), nenhuma lista de destaques quânticos está completa sem um aceno para tudo o que é estranho e incompreensível no campo. Vamos ouvir os pesquisadores americanos que usaram um processador quântico para simular o teletransporte de informações através de um buraco de minhoca no espaço-tempo; um grupo na Itália e na França que colocou números concretos no indistinguibilidade de fótons indistinguíveis; uma equipe internacional que usou violações quânticas da causalidade clássica para entender melhor a natureza da causa e efeito; e uma intrépida dupla de físicos da Universidade de Edimburgo, no Reino Unido, que mostraram que os sinais quânticos seriam um bom caminho para alienígenas tecnologicamente avançados para estabelecer contato através de distâncias interestelares. Obrigado por manter o quantum estranho!
