Pela primeira vez, físicos teóricos do Instituto de Física Teórica (IPhT) em Paris-Saclay determinaram completamente as estatísticas que podem ser geradas por um sistema usando entrelaçamento quântico. Essa conquista abre caminho para procedimentos de teste exaustivos para dispositivos quânticos.

O estudo foi publicado na revista Nature Physics .

Após o advento dos transistores, lasers e relógios atômicos , o emaranhamento de objetos quânticos — tão variados quanto fótons, elétrons e circuitos supercondutores — está no centro de uma segunda revolução quântica, com a comunicação quântica e a computação quântica em vista.

O que está envolvido? Dois objetos preparados juntos em um estado quântico — dois fótons polarizados horizontal ou verticalmente, por exemplo — retêm a memória de sua origem comum, mesmo se forem movidos para bem longe um do outro. Quando o estado quântico dos dois objetos emaranhados é medido — sua polarização, no exemplo proposto — uma correlação distinta é observada entre os resultados da medição.

Do que depende essa correlação? Primeiro, o grau de emaranhamento entre os dois objetos pode variar, dependendo da natureza da fonte dos objetos quânticos emaranhados — no exemplo, fótons polarizados horizontalmente podem ser produzidos com mais frequência do que os polarizados verticalmente. Então, uma escolha de medição deve ser feita — como selecionar uma direção na qual medir a polarização — o que pode impactar seu resultado.

Para gerar correlações quânticas significativas, é de fato essencial que cada objeto possa ser medido usando um mínimo de duas medições distintas, cada uma oferecendo pelo menos dois resultados potenciais.

No experimento mais simples que revela a extensão do emaranhamento quântico, cinco parâmetros podem afetar as estatísticas de medição: o grau de emaranhamento entre os objetos e as duas direções nas quais ambos os aparelhos realizam suas medições. Em termos gerais, no entanto, a física quântica permite sistemas intrincados com vários graus de liberdade, levando a uma ampla variedade de correlações.

As correlações quânticas têm características notáveis, notavelmente sua capacidade de passar em um teste de Bell. Quando isso acontece, os resultados de um experimento quântico são "não locais" no sentido de que não podem ser explicados em termos de modelos de variáveis ocultas locais, que capturam nossa compreensão intuitiva das correlações. A demonstração experimental dessa propriedade impressionante foi celebrada pelo prêmio Nobel de física concedido em 2022 a Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger. Mas as correlações quânticas têm mais de um truque na manga.

Acontece que atributos físicos podem frequentemente ser estimados diretamente a partir das estatísticas obtidas na medição de um estado quântico emaranhado . Por exemplo, correlações observadas podem certificar que os resultados de medição observados são aleatórios. É importante ressaltar que essa conclusão é atingível apenas a partir dos resultados de medição, sem nenhuma suposição sobre o comportamento dos dispositivos quânticos em questão, considerados como "caixas-pretas". Em última análise, algumas estatísticas quânticas têm a propriedade de identificar completamente o modelo físico que descreve os objetos emaranhados.

Essa propriedade impressionante, chamada de "autoteste", desempenha um papel crucial em protocolos de informação quântica independentes de dispositivo. Como esses protocolos não dependem de nenhuma suposição sobre o funcionamento adequado da fonte e dos aparelhos de medição, eles oferecem confiabilidade inigualável. Até agora, vários resultados de autoteste foram obtidos. Por exemplo, sabe-se que todos os estados de qubit podem ser autotestados, embora todos os autotestes possíveis ainda não sejam conhecidos. De fato, apenas os autotestes correspondentes a estados maximamente emaranhados de dois qubits foram totalmente caracterizados.

Os físicos teóricos do IPhT Victor Barizien e Jean-Daniel Bancal demonstraram agora que também é possível descrever exata e completamente as estatísticas obtidas ao medir objetos parcialmente emaranhados.

"A ideia, que é bonitinha, mas difícil de explicar, era descrever as estatísticas de estados parcialmente emaranhados usando o que entendemos por estados maximamente emaranhados. Encontramos uma transformação matemática que permite uma interpretação física frutífera", afirmam os pesquisadores.

Por sua vez, a identificação de todas as correlações que podem autotestar estados parcialmente emaranhados de dois qubits forneceu uma descrição completa das estatísticas quânticas.

Ter um conhecimento completo das estatísticas quânticas alcançáveis quando o emaranhamento está envolvido tem amplas consequências. Por um lado, identifica os limites da própria teoria quântica. Ao fazê-lo, limita a extensão dos resultados experimentais que se pode esperar observar, desde que a natureza cumpra as regras da física quântica. Por outro lado, oferece procedimentos de teste excepcionalmente eficazes, aplicáveis a todos os tipos de objetos e medições emaranhados e, portanto, a muitos tipos diferentes de sistemas.

Em particular, a segurança de dispositivos que usam entrelaçamento quântico pode ser aprimorada por testes baseados nos resultados de observações feitas a cada instante, em vez de nas propriedades físicas dos aparelhos, que provavelmente evoluem ao longo do tempo. Mais geralmente, o caminho está aberto para novos protocolos para testes quânticos, comunicações, criptografia e computação.