Em um novo estudo da Physical Review Letters , os cientistas apresentaram com sucesso uma prova de conceito para demonstrar um teste livre de aleatoriedade para correlações quânticas e medições não projetivas, oferecendo uma alternativa inovadora aos testes quânticos tradicionais que dependem de entradas aleatórias.

A "correlação quântica" é um fenômeno fundamental na mecânica quântica e central para aplicações quânticas como comunicação, criptografia, computação e processamento de informações.

A desigualdade de Bell, ou teoria de Bell, em homenagem ao físico John Stewart Bell, é o teste padrão usado para determinar a natureza da correlação. No entanto, um dos desafios do uso do teorema de Bell é o requisito de aleatoriedade inicial para a seleção das configurações de medição.

Em outras palavras, as entradas para o experimento precisam ser verdadeiramente aleatórias, o que é o desafio. Além disso, a aleatoriedade das sementes pode ser cara e vulnerável a lacunas.

O novo estudo, liderado pela Dra. Jacquiline Romero da Universidade de Queensland e do Centro de Excelência para Sistemas Quânticos Projetados do Conselho Australiano de Pesquisa, elimina a necessidade dessa aleatoriedade da semente ao propor um teste alternativo.

Romero explicou isso ao dizendo: "Nosso trabalho elimina esse requisito rigoroso de aleatoriedade. Demonstramos que a aleatoriedade compartilhada (ou correlacionada) adquirida de moedas emaranhadas não pode ser replicada usando duas moedas classicamente correlacionadas de dois níveis. Esta descoberta permite-nos estabelecer uma vantagem quântica no jogo de brinquedo descrito no nosso artigo."

Ela também expressou seu entusiasmo por esta pesquisa, dizendo: “Estou sempre em busca de experimentos que destaquem a diferença entre a informação clássica e a quântica porque esses experimentos despertam a curiosidade”.

A implementação na vida real de sistemas e protocolos quânticos é desafiadora por vários motivos. Um dos principais desafios é a necessidade de modelagem idealizada e compreensão detalhada de todas as suas partes. Sem esse conhecimento, esses protocolos tornam-se vulneráveis a diversas ameaças.

Porém, na realidade, não temos todas as informações sobre o sistema quântico. Coautor do estudo, Dr. Manik Banik do Centro Nacional SN Bose de Ciências Básicas na Índia, explicou: "Na prática, a desigualdade de Bell serve como uma ferramenta crucial para certificar a não-classicalidade de uma maneira 'independente do dispositivo', permitindo protocolos totalmente independentes de dispositivos sem conhecimento detalhado das operações de dispositivos quânticos."

"No entanto, os cenários práticos geralmente envolvem conhecimento parcial sobre as características do dispositivo, levando à independência do semi-dispositivo."

Nestas situações, possuímos algumas informações sobre o sistema quântico, tais como as dimensões dos subsistemas envolvidos, mas não uma compreensão completa do seu funcionamento interno. Foi exatamente isso que a equipe fez.

"Propomos uma solução para esta tarefa de certificação não-classicalidade apenas a partir de estatísticas de saída, mas são necessárias informações adicionais sobre o funcionamento interno do dispositivo, nomeadamente a dimensão operacional. Este conhecimento adicional, embora mínimo, sobre o dispositivo considera a técnica um semi-dispositivo independente status", explicou outro coautor, Some Sankar Bhattacharya, da Universidade de Gdansk, na Polônia.

A configuração experimental da equipe dependia da produção de fótons emaranhados usando um cristal não linear por meio de um processo conhecido como conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC).

Em essência, o processo SPDC em um cristal não linear pega os fótons da bomba de alta energia, absorve-os e gera espontaneamente pares de fótons emaranhados de baixa energia.

Os fótons emaranhados foram então enviados aleatoriamente para as duas partes, Alice e Bob, usando um divisor de feixe. Alice e Bob mediram os modos espaciais dos fótons, que é uma propriedade que descreve como os fótons são distribuídos no espaço.

Para fazer as medições nos fótons emaranhados, Alice e Bob usaram medidas com valor de operador positivo de trígono qubit ou POVMs, que são um conjunto de operadores de medição que representam medições não projetivas.

Medições não projetivas são medições quânticas que vão além das medições projetivas padrão, permitindo uma caracterização mais abrangente dos sistemas quânticos.

Em seguida, a equipe registrou os resultados sempre que houve um resultado correlacionado entre Alice e Bob. Eles então realizaram cálculos para determinar distribuições de probabilidade conjuntas, o que lhes permitiu avaliar a probabilidade de obter resultados de medição específicos que foram correlacionados entre Alice e Bob.

Por exemplo, se eles estivessem jogando um jogo com os fótons emaranhados e medindo se ambos obtiveram cara (H) ou coroa (T), uma distribuição de probabilidade conjunta lhes diria a probabilidade de ambos obterem H, ambos obterem T, ou um obter H e o outro recebendo T.

A configuração é independente do semi-dispositivo porque as únicas variáveis conhecidas eram a entrada (fótons emaranhados) e a saída (medições).

No domínio dos sistemas quânticos, a noção de vantagem quântica desafia as noções clássicas de aleatoriedade. Neste experimento, significa demonstrar aleatoriedade compartilhada.

Os sistemas clássicos, como o lançamento de moeda, atribuem probabilidades predeterminadas a cada resultado possível. Por exemplo, uma moeda justa tem 50% de chance igual de cair em H ou T em cada lançamento. No entanto, num sistema quântico, vemos resultados correlacionados que parecem inteiramente aleatórios, mas que estão fundamentalmente emaranhados.

Imagine um cenário em que Alice e Bob joguem suas respectivas moedas de forma independente. Notavelmente, os resultados do lançamento da moeda estão misteriosamente interligados. Quando Alice obtém um H, Bob simultaneamente obtém um H, e quando Alice obtém um T, Bob também obtém um T.

Esta aleatoriedade partilhada é estabelecida através do emaranhamento quântico, onde as partículas ficam interligadas e as suas propriedades permanecem correlacionadas independentemente da separação física.

A equipe demonstrou vantagem quântica por meio de seu experimento, mostrando que a moeda correlacionada obtida dos fótons emaranhados não pode ser replicada usando duas moedas correlacionadas clássicas de dois níveis.

Dr. Romero explicou suas implicações para o processamento de informações quânticas : "A aleatoriedade compartilhada (ou correlacionada) é um recurso útil para muitas tarefas."

"Protocolos de comunicação quântica, como certos esquemas de compartilhamento de segredos ou cálculos quânticos envolvendo um componente de distribuição aleatória (que demonstrou aumentar a segurança), podem se beneficiar de nossos resultados."

Para estudos futuros, ela espera explorar a possibilidade de tornar a vantagem quântica independente do dispositivo e demonstrá-la experimentalmente.