Uma equipe de físicos emaranhou três fótons a uma distância considerável, o que pode levar a uma criptografia quântica mais poderosa.
Este mês, três cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho provando uma das realidades mais contra-intuitivas e conseqüentes do mundo quântico. Eles mostraram que duas partículas quânticas emaranhadas devem ser consideradas um único sistema – seus estados inexoravelmente entrelaçados um com o outro – mesmo que as partículas estejam separadas por grandes distâncias. Na prática, esse fenômeno de “não-localidade” significa que o sistema que você tem à sua frente pode ser instantaneamente afetado por algo que está a milhares de quilômetros de distância.
O emaranhamento e a não localidade permitem que os cientistas da computação criem códigos indecifráveis. Em uma técnica conhecida como distribuição de chave quântica independente de dispositivo, um par de partículas é emaranhado e depois distribuído para duas pessoas. As propriedades compartilhadas das partículas agora podem servir como um código, que manterá as comunicações seguras mesmo de computadores quânticos – máquinas capazes de romper as técnicas clássicas de criptografia.
Mas por que parar em duas partículas? Em teoria, não há limite superior para quantas partículas podem compartilhar um estado emaranhado. Durante décadas, os físicos teóricos imaginaram conexões quânticas de três, quatro vias e até 100 vias – o tipo de coisa que permitiria uma Internet protegida quântica totalmente distribuída. Agora, um laboratório na China conseguiu o que parece ser um emaranhamento não local entre três partículas ao mesmo tempo, potencialmente aumentando a força da criptografia quântica e as possibilidades de redes quânticas em geral.
“A não localidade de duas partes já é louca o suficiente”, disse Peter Bierhorst, 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 trilhões, dependendo de quem você perguntar. Mas estes foram apenas em distâncias curtas, 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 nível 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 combinam com as propriedades da outra – a marca registrada do emaranhamento – uma vez que estão distantes o suficiente para que nada mais possa causar os efeitos. Por exemplo, uma partícula que ainda está fisicamente próxima de seu gêmeo emaranhado pode emitir radiação que afeta o outro. Mas se eles estão a uma milha de distância e medidos praticamente instantaneamente, provavelmente estão ligados apenas por emaranhamento. Os experimentadores usam um conjunto de equações chamado desigualdades de Bell para descartar todas as outras explicações para as propriedades ligadas das partículas.
Com três partículas, o processo de provar a não localidade é semelhante, mas há mais possibilidades de descartar. Isso aumenta a complexidade das medições e dos obstáculos matemáticos que os cientistas devem percorrer para provar a relação não local das três partículas. “Você precisa encontrar uma maneira criativa de abordá-lo”, 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, disparando lasers através de um tipo especial de cristal, eles emaranharam três fótons e os colocaram em diferentes áreas do centro de pesquisa, a centenas de metros de distância. Em seguida, 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 de não-localidade de três vias até hoje.
Tecnicamente, resta uma pequena chance de que outra coisa tenha causado os resultados. “Ainda temos algumas brechas em aberto”, disse Xuemei Gu, um dos principais autores do estudo. Mas, ao separar as partículas, eles conseguiram descartar a explicação alternativa mais gritante para seus dados: a proximidade física.
Os autores também basearam seu experimento em uma definição nova e mais rigorosa de não-localidade de três vias que vem ganhando força nos últimos anos. Enquanto os experimentos anteriores permitiam a cooperação entre os dispositivos que mediam os fótons, os três dispositivos de Gu não conseguiam se 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 demonstrou a não localidade de três vias à distância em 2014.)
Agora que os pesquisadores que seguem a nova definição conseguiram emaranhar partículas tão distantes, eles podem se concentrar em expandir ainda mais a distância.
“É um passo importante para fazer experimentos de longa distância e escala maior”, disse Saikat Guha, teórico da informação quântica da Universidade do Arizona.
Mais diretamente, essa tecnologia pode alimentar uma distribuição de chaves quânticas mais expansiva, disse Renner. Se você usar partículas emaranhadas como a chave para a criptografia, as mesmas desigualdades de Bell que os físicos usam para testar a não localidade podem garantir que seu segredo seja completamente seguro. Então, mesmo que o dispositivo que você usa para enviar ou receber uma mensagem seja manipulado maliciosamente por seu pior inimigo, eles não poderão determinar sua chave quântica. Esses segredos ficam entre você e quem tem a outra partícula emaranhada.
A distribuição de chaves quânticas é “o que as pessoas estão entusiasmadas”, disse Renner. No ano passado, três grupos separados demonstraram o protocolo no laboratório, embora ainda em pequena escala. É por isso que a não localidade de três vias será tão importante. “Você tem, em princípio, muito mais poder criptográfico”, porque essas conexões de três vias não podem ser simuladas juntando alguns links de duas vias.
“É um nível fundamentalmente novo de fenômenos”, disse Bierhorst, que poderia expandir a criptografia independente de dispositivo de 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 uma internet quântica, que pode conectar computadores quânticos da mesma forma que a internet comum conecta dispositivos comuns. Esse sistema reuniria o poder de computação de muitos dispositivos quânticos, conectando milhões de partículas com níveis variados 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 esse objetivo em mente, cientistas na Holanda conseguiram 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 que é impossível 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. Você tem que fazer muitas suposições”, disse Bierhorst.
Os experimentos de três vias ainda dependem de algumas suposições também. Os ganhadores do Nobel passaram meio século descartando essas brechas em seus experimentos de mão dupla, finalmente tendo sucesso em 2017. Mas percorremos um longo caminho desde então tecnologicamente, disse Renner.
“O que [levava] décadas antes agora acontecerá em um ano ou mais”, disse ele.
Publicado em 25/10/2022 14h40
Artigo original:
Estudo original: