O processo de mexer dois ovos — quebrá-los, bater a gema e as claras, despejar o líquido em uma frigideira e mexer — pode levar vários minutos. É possível observar o processo se desenrolar e aprender um pouco sobre como o processo ocorre. Agora, um novo artigo teórico na Science mostra que, sob as condições certas, o equivalente subatômico dos ovos pode ser mexido em um piscar de olhos.

"A dinâmica quântica tem a capacidade de se embaralhar exponencialmente mais rápido do que qualquer dinâmica do mundo clássico", afirma o autor principal Thomas Schuster, pesquisador associado do programa de pós-doutorado Sherman Fairchild em Física Teórica no Caltech. Schuster trabalhou no projeto com Hsin-Yuan (Robert) Huang (PhD '24), professor assistente de física teórica no Caltech e bolsista William H. Hurt.

"Isso é uma grande surpresa e vai contra a nossa intuição", diz Schuster. "Achávamos que levaria mais tempo."

Em qualquer material quântico, as diversas partículas subatômicas que o compõem interagem e passam por fenômenos quânticos distintos, como emaranhamento e superposição . À medida que um sistema quântico evolui ao longo do tempo, o estado do sistema e as informações nele contidas tornam-se cada vez mais confusos, à medida que diferentes partes do sistema se entrelaçam.

Gerar aleatoriedade quântica é uma ferramenta útil na criptografia quântica e no estudo de sistemas quânticos em geral. Schuster queria estudar a questão de quão difícil ou fácil seria aprender sobre estados quânticos uma vez que as informações começassem a se embaralhar.

À medida que Schuster, Huang e seu colega Jonas Haferkamp, da Universidade de Harvard e da Universidade de Saarland, na Alemanha, desenvolviam uma prova matemática de quão difícil é aprender sobre um sistema quântico enquanto ele se embaralha, eles perceberam que tinham descoberto outra coisa: que os sistemas quânticos se tornam completamente irreconhecíveis muito rapidamente — o que os cientistas chamam de "maximamente aleatórios".

"Esse embaralhamento ultrarrápido ocorre quando os sistemas quânticos conseguem explorar o espaço de todas as possibilidades", explica Huang. "Nada no mundo clássico imita esse comportamento de embaralhamento, e mesmo alguns mundos quânticos restritos, como aqueles restritos a números reais, não conseguem imitá-lo. O embaralhamento ultrarrápido significa que é muito mais difícil aprender sobre o tempo de evolução, o emaranhamento e outras características do sistema do que pensávamos antes."

Do lado positivo, o resultado pode ajudar em futuras aplicações quânticas, incluindo aquelas em criptografia, bem como na busca para estabelecer vantagem quântica — demonstrações experimentais nas quais os computadores quânticos superam seus equivalentes clássicos.

Por exemplo, o Google demonstrou vantagem quântica em 2019 usando o mesmo tipo de aleatoriedade quântica gerada neste estudo.

O estudo intitulado " Unitários aleatórios em profundidade extremamente baixa " foi financiado pelo Instituto Walter Burke de Física Teórica do Caltech, Harvard, MIT, o Acelerador de Sistemas Quânticos do Departamento de Energia dos EUA e o Instituto de Informação Quântica e Matéria (IQIM) do Caltech, um Centro de Fronteira de Física da Fundação Nacional de Ciências dos EUA.