Desde que a teoria quântica foi proposta pela primeira vez há mais de um século, ela passou rapidamente de uma tentativa de entender o mundo ao nosso redor para propostas tecnológicas complexas que exploram seu comportamento. Mas, enquanto isso, os cientistas ainda estão tentando se convencer de que a natureza é de fato quântica.
Costuma-se dizer que os relógios mais precisos do mundo (relógios atômicos, que habilitaram a tecnologia GPS) funcionam graças à física quântica. Os experimentos bem-sucedidos em aceleradores de partículas também dependem fortemente dessa teoria. No entanto, algumas das previsões da teoria quântica não são tão simples de testar.
Uma delas é a não localidade, um efeito pelo qual a observação de uma partícula pode revelar informações sobre outras partículas potencialmente localizadas a milhares de quilômetros de distância. Detectar esse fenômeno não é fácil, e os primeiros testes convincentes de não localidade para duas partículas só surgiram em 2015. Agora, um grupo de cientistas na China e na Espanha realizou um teste muito rigoroso de não localidade em uma rede de partículas.
Tal rede poderia um dia permitir que pessoas em diferentes cidades se conectassem por canais de comunicação rápidos e hiperseguros e, assim, formar a base de uma internet quântica. Para que as capacidades da rede ultrapassem as da nossa internet atual, é essencial que ela possa produzir não-localidade. Assim, os resultados deste estudo, publicados na Cartas de revisão físicapoderia ser usado para certificar equipamentos usados para construir uma internet quântica.
“Fizemos um dos testes mais fortes e rigorosos de fenômenos quânticos em redes”, disse Alejandro Pozas-Kerstjens, coautor principal do artigo e pesquisador do Instituto de Ciências Matemáticas de Madri.
A base da internet quântica
Para construir uma internet quântica conectando diferentes cidades, por exemplo, seria necessário colocar emissores de fótons em locais intermediários entre cada par de cidades para que pudessem distribuir fótons (as partículas de que é feita a luz) para as cidades que atendem. Os fótons precisariam ser emaranhados para estabelecer ligações quânticas entre as cidades.
No entanto, em um cenário do mundo real onde não se tem controle total sobre todos os emissores, pode-se imaginar um emissor defeituoso enviando fótons não emaranhados, tornando esse link clássico e comprometendo o funcionamento de toda a rede.
Pozas-Kerstjens questionou se poderia haver uma maneira de certificar que todos os links em tal rede eram de fato quânticos, ou seja, que nenhum dos emissores estava pegando atalhos e enviando fótons não emaranhados. Ele imaginou que este seria um teste essencial para futuras redes para garantir que estão funcionando como deveriam.
É por isso que, em 2022, ele e dois outros colegas cunharam o conceito de “não localidade de rede completa”. Para que uma configuração dê origem à não-localidade total da rede, todos os emissores, ou fontes, precisam distribuir fótons emaranhados. “Se existe um clássico [i.e., non-quantum] fonte em sua rede, você não pode mais observar isso. Se você tiver 500 fontes e uma distribuir sistemas clássicos, não poderá observar a não-localidade total da rede”, explicou Pozas-Kerstjens.
Logo após a apresentação da proposta, Xue-Mei Gu, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, contatou Pozas-Kerstjens. “Ela me disse por e-mail: ‘Lemos seu artigo, já temos essa implementação configurada e gostaríamos de observar seu fenômeno. Você acha que poderia nos guiar?’”, lembrou.
Um experimento paranóico
Pozas-Kerstjens sabia que não seria fácil realizar uma experiência convincente. A configuração precisaria ser “paranóica” [in order to] eliminar qualquer chance de que os resultados que observamos possam ser simulados de maneira clássica ou não quântica”, disse ele. Mas ele imediatamente aceitou a oferta de Gu.
O experimento envolveu uma rede de três máquinas posicionadas como cidades diferentes, apelidadas de Alice, Bob e Charlie. Um emissor estabeleceria um link entre Alice e Bob enviando a eles um par de fótons emaranhados, enquanto outro estabeleceria um link semelhante entre Bob e Charlie. Para testar a não-localidade total da rede, Alice, Bob e Charlie precisariam fazer certas medições em seus fótons e anotar os resultados. Este procedimento seria repetido várias vezes e os resultados globais seriam comparados no final.
Para que a rede seja totalmente não local, os links entre Alice e Bob e Bob e Charlie precisam ser não clássicos. No entanto, os cientistas sabiam que era fundamental impedir que as partes e/ou emissores se coordenassem – da forma mais “paranóica” possível. Caso contrário, os resultados obtidos não exibiriam de forma confiável a não-localidade total da rede.
Por isso decidiram separar Alice, Bob e Charlie por cerca de 200 metros, com os emissores aproximadamente a meio caminho entre cada par, e realizar as rodadas do experimento em nanossegundos. Dessa forma, seria impossível que qualquer informação mantida por uma parte viajasse para as outras partes antes que elas fizessem suas medições e que os emissores entrassem em conluio entre si.
“Como a informação não pode viajar mais rápido que a luz, as medições são feitas com rapidez suficiente para que a luz não tenha tempo de passar de um elemento do experimento para o outro”, explicou Pozas-Kerstjens, evitando assim que as partes e fontes se coordenem.
“Fechar todas as brechas possíveis é uma tarefa extremamente difícil”, disse Ivan Šupić, pesquisador do Laboratoire d’Informatique Sorbonne Université/CNRS em Paris, que não participou do estudo. Fazer esta experiência tão rápido e a tal distância “é uma coisa incrível”.
Um grande passo para as redes quânticas
Embora ainda haja mais alguns detalhes a serem considerados para ter certeza absoluta de que não existem links clássicos nessa rede, esse experimento constitui um passo decisivo para o estudo da não localidade em redes quânticas.
“Em um nível fundamental, pensar que [our results] não poderia ser replicado de forma alguma se você tivesse sistemas clássicos é bastante chocante”, disse Pozas-Kerstjens, acrescentando que é mais uma evidência de que o mundo é de fato quântico.
Só na Europa há uma série de propostas para uma internet quântica. A Iniciativa Europeia de Infraestrutura de Comunicação Quântica visa conectar cidades em todo o continente, com projetos já em andamento em Madri e na Holanda para redes de cidades e países.
Uma vez construídas essas redes, será essencial testar se elas funcionam corretamente e, principalmente, se todos os links são quânticos. “Testar a não localidade da rede é a maneira de realmente testar se você tem links não clássicos [in the context of a long-distance quantum internet]”, disse Šupic.
“Fora das aplicações de tecnologias quânticas, as pessoas geralmente se concentram em computadores quânticos. Mas acho que as aplicações de comunicação quântica chegarão antes de um computador quântico, porque a tecnologia é mais bem compreendida e de fato alguns pilotos de redes para distribuir informação quântica entre vários nós a distâncias consideráveis já estão sendo testados”, disse Pozas-Kerstjens.
Referência: Xue-Mei Gu et al., Não-localidade de rede completa experimental com fontes independentes e restrições de localidade estritas, Cartas de Revisão Física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.190201
Imagem em destaque: Adrien VIN no Unsplash
