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Sexta-feira, Maio 20, 2022

Descoberta Nova Conexão Entre Dois Fenômenos Quânticos Estranhos – Superposição e Emaranhamento

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Computação Qubits Abstrata Qubits

Nova conexão descoberta entre dois fenômenos quânticos estranhos – superposição e emaranhamento – com implicações para criptografia ultra-segura.

Um princípio de equivalência “além-quântico” para superposição e emaranhamento.

O estudo financiado pelo Foundational Questions Institute (FQXi) encontrou uma nova conexão entre dois fenômenos quânticos estranhos – superposição e emaranhamento – com implicações para criptografia ultra-segura.

A física do microreino incorpora dois conceitos bem conhecidos e bizarros: o primeiro é que antes da observação é impossível saber com certeza o resultado de uma medição em uma partícula; em vez disso, a partícula existe em uma ‘superposição’ compreendendo muitos estados mutuamente exclusivos. Assim, uma partícula pode estar em dois ou mais lugares ao mesmo tempo, e você só pode calcular a probabilidade de encontrá-la em um determinado local quando olhar. A segunda envolve o ‘emaranhamento’, o elo assustador que pode unir dois objetos, não importa o quanto estejam fisicamente separados. A teoria quântica descreve matematicamente tanto a superposição quanto o emaranhamento.

Mas muitos físicos acreditam que a teoria final da realidade pode estar além da teoria quântica. Agora, uma equipe de físicos e matemáticos encontrou uma nova conexão entre essas duas propriedades estranhas que não pressupõe que a teoria quântica esteja correta. Seu estudo de pesquisa foi publicado em Cartas de Revisão Física e foi selecionado como Sugestão dos Editores pela revista.

Emaranhamento e superposição são equivalentes

Uma nova conexão entre emaranhamento e superposição em qualquer teoria física foi descoberta, o que ajuda a confirmar que a distribuição de chaves secretas nos atuais protocolos criptográficos quânticos funcionará, mesmo que a teoria quântica esteja incorreta e deva ser substituída por uma teoria mais fundamental, ‘além quântica’ . Crédito: Ludovico Lami

“Ficamos realmente empolgados em encontrar essa nova conexão que vai além da teoria quântica porque a conexão será válida mesmo para teorias mais exóticas que ainda não foram descobertas”, diz Ludovico Lami, membro do think-tank de física, o Foundational Questions Institute, FQXi, e físico da Universidade de Ulm, na Alemanha. “Isso também é importante porque independe do formalismo matemático da teoria quântica e usa apenas noções com interpretação operacional imediata”, acrescenta. Lami é coautor do estudo com Guillaume Aubrun, da Claude Bernard University Lyon 1, na França, Carlos Palazuelos, da Universidade Complutense de Madri, na Espanha, e Martin Plávala, da Siegen University, na Alemanha.

Embora a teoria quântica tenha provado ser extremamente bem-sucedida desde seu desenvolvimento há um século, os físicos lutaram para unificá-la com a gravidade para criar uma ‘teoria de tudo’ abrangente. Isso sugere que a teoria quântica pode não ser a palavra final para descrever a realidade, inspirando os físicos a buscar uma estrutura mais fundamental. Mas qualquer teoria definitiva desse tipo ainda deve incorporar superposição, emaranhamento e a natureza probabilística da realidade, uma vez que essas características foram confirmadas repetidamente em testes de laboratório. A interpretação desses experimentos não depende de a teoria quântica estar correta, observa Lami.

Criptografia Quântica

Há implicações práticas também. O emaranhamento quântico desempenha um papel fundamental no projeto de computadores quânticos – máquinas que podem superar computadores padrão em determinadas tarefas – e em protocolos criptográficos quânticos, que já estão em uso e exploram regras quânticas para fornecer comunicação ultra-segura entre canais que, em teoria, , são imunes a hackers. Mas se a teoria quântica eventualmente precisar ser substituída por outra teoria mais fundamental no futuro, descobriremos que essas regras não eram realmente válidas ou esses protocolos criptográficos não são seguros como prometido?

O problema é que para descobrir você precisa analisar a superposição e o emaranhamento em termos de alguma teoria geral – e ainda desconhecida –, sem usar a matemática da teoria quântica. Como você pode fazer isso? Lami e seus colegas resolveram esse quebra-cabeça estudando ‘teorias probabilísticas gerais’, em vez de teoria quântica. A pesquisa foi apoiada em parte por meio de uma doação que Lami e outros receberam do Foundational Questions Institute, FQXi, para estudar as características e limitações da inteligência em teorias probabilísticas generalizadas, permitindo-lhes examinar como a informação é processada em conceitos abstratos clássicos, quânticos e quânticos. sistemas ‘além quânticos’.

“Esta bolsa FQXi me deu a chance de pensar sobre algumas características universais do processamento de informações em teorias além da mecânica quântica, modeladas matematicamente por teorias probabilísticas gerais, mais de perto”, diz Lami. “E o exemplo primitivo criptográfico que estudamos, distribuição de chave secreta, é uma das tarefas mais simples em que esse formalismo pode ser aplicado.”

No novo artigo, publicado na revista Cartas de Revisão Física, a equipe mostrou que duas teorias físicas exibem emaranhamento quando combinadas, se e somente se ambas exibem superposições locais. Isso significa que emaranhamento e superposição são equivalentes em qualquer teoria física, não apenas na teoria quântica. Eles também calcularam que em sistemas onde essa equivalência é válida – seja quântica ou além do quântico – as leis da teoria podem ser exploradas para criptografia ultra-segura. Em particular, a equipe mostrou que um certo protocolo criptográfico quântico popular, conhecido como ‘BB84’, sempre funcionará – mesmo que um dia se descubra que a teoria quântica não está totalmente correta e precisa ser substituída por uma teoria mais fundamental.

“É de alguma forma reconfortante saber que a criptografia é realmente uma característica de todas as teorias não clássicas, e não apenas uma esquisitice quântica, já que muitos de nós acreditam que a teoria final da natureza provavelmente não será clássica”, diz Lami. “Mesmo se um dia descobrirmos que a teoria quântica está incorreta, ainda saberemos que a distribuição de chaves secretas pode, em princípio, funcionar.”

Referência: “Entanglement and Superposition Are Equivalent Concepts in Any Physical Theory” de Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos e Martin Plávala, 22 de abril de 2022, Cartas de Revisão Física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.160402

Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo programa Inteligência no Mundo Físico da FQXi.





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