Física da Natureza hoje, Segunda-feira, 23 de janeiro de 2017, publicou online a pesquisa de uma equipe liderada por físicos da Escola de Física da Universidade de Wits. Em seu artigo intitulado:Caracterizando canais quânticos com estados indissociáveis ​​de luz clássica, os pesquisadores demonstram o resultado surpreendente de que às vezes a Natureza não consegue diferenciar entre tipos específicos de feixes de laser e fótons quânticos emaranhados.

Em essência, a pesquisa mostra que às vezes a Natureza não consegue diferenciar os mundos quântico e clássico (ou real), e que existe uma área cinzenta entre os dois mundos chamada emaranhamento clássico.

Mundos clássicos e quânticos

Os sistemas de comunicação atuais são muito rápidos, mas não fundamentalmente seguro. Para torná-los seguros, os pesquisadores usam as leis da Natureza para codificação, explorando as propriedades peculiares do mundo quântico, como no caso do uso de Quantum Key Distribution (QKD) para comunicação segura.

"Quantum" se refere ao pequeno, e no mundo fotônico, isso significa um fóton - uma única partícula de luz. As regras do mundo quântico são muito diferentes daquelas do mundo clássico, e os experimentos são tradicionalmente muito mais difíceis devido à dificuldade em lidar com apenas alguns fótons.

"No mundo clássico, nossa intuição é verdadeira. Não há surpresas e os experimentos podem ser feitos com muitos fótons (bilhões e bilhões deles), como luz laser, "explica o professor Andrew Forbes, líder da equipa de colaboração e Distinto Professor da Escola de Física onde dirige o Laboratório de Luz Estruturada Wits.

"Mas não é assim no mundo quântico, onde as coisas nunca são exatamente o que parecem. Aqui, as ondas às vezes parecem partículas, partículas como ondas, e as medidas mudam as propriedades daquilo que você está tentando medir. "

A correção de erros quânticos em tempo real é possível

Agora, os pesquisadores mostraram que existe uma área cinzenta onde a Natureza não consegue distinguir entre o clássico e o quântico. Isso abre a possibilidade de primeiro realizar experimentos quânticos com um tipo de luz clássica chamada luz "classicamente emaranhada".

Por exemplo, estabelecer um link de comunicação quântica seguro em longa distância é muito desafiador:"Links quânticos (como em fibra óptica) usando padrões de luz enfraquecem em distâncias curtas precisamente porque não há maneira de proteger o link contra ruído (interferência de, por exemplo, neblina ou uma curva em um cabo) sem detectar os fótons. Ainda, uma vez que eles são detectados, sua utilidade é destruída, "diz Forbes.

Essa situação complicada tem sido um obstáculo aparentemente intransponível. Agora a equipe mostrou que isso pode ser superado usando campos de luz clássicos (muitos fótons), permitindo a correção de erros quânticos em tempo real.

Ao preparar e enviar o chamado feixe "classicamente emaranhado", a equipe pôde mostrar que isso era idêntico ao envio de um estado quântico. Isso significa que o decaimento do emaranhamento quântico observado devido ao ruído no link pode ser revertido, pavimentando o caminho para grandes avanços em links quânticos seguros em fibra e espaço livre.

"Mostramos pela primeira vez que a luz clássica pode ser usada para analisar uma ligação quântica, atuando como um equivalente direto ao comportamento do estado quântico, "diz Bienvenu Ndagano, autor principal e aluno de doutorado na Wits University.

"Não é similar, ou imitando, mas equivalente. Para mostrar isso, exploramos um tipo particular de feixe de laser, chamados de feixes de vetores, que têm a propriedade de serem indissociáveis ​​e às vezes chamados de 'classicamente emaranhados'. "

Ndagano explica que a propriedade quintessencial do emaranhamento quântico é a não separabilidade do estado, o que significa que uma parte do sistema não pode ser separada da outra. "Mas a inseparabilidade não é exclusiva do mundo quântico:você pode encontrá-la em mapas meteorológicos onde os locais no mapa e as temperaturas nesses locais não podem ser separados."

Luz classicamente emaranhada

Mais intrigantemente, os feixes vetoriais clássicos também têm essa propriedade, que a equipe chama de luz "classicamente emaranhada".

Diz Forbes, “O que perguntamos foi:isso significa que a luz clássica pode ser usada em sistemas quânticos - uma área cinza entre os dois mundos que chamamos de emaranhamento clássico?”.

"A noção de emaranhamento clássico é fortemente contestada na comunidade da física, com alguns argumentando que é apenas uma construção matemática, "diz Thomas Konrad (UKZN), co-autor no artigo. "Este trabalho mostra que há um significado físico para ele também, e oferecemos os primeiros dados lado a lado da equivalência do emaranhamento clássico e quântico ".

Anteriormente, corrigir um erro no estado quântico usado para comunicação segura significaria medir o fóton enviado, o que, por sua vez, significaria perder as informações que se estava tentando enviar.

Este trabalho permite que links quânticos de longa distância sejam estabelecidos e testados com luz classicamente emaranhada:como não há escassez de fótons na luz clássica, todas as medições necessárias para corrigir os erros no estado quântico podem ser feitas em tempo real sem destruir as informações quânticas.

Assim, a correção de erros em tempo real é possível, pois você pode executar experimentos no mundo clássico que lhe dirão como consertar o erro no mundo quântico.

Transferência de dados rápida e segura por meio de um link do mundo real

A equipe está trabalhando para empacotar o máximo de informações em fótons usando padrões de luz como um meio de codificar as informações. Uma vez que há um número ilimitado de padrões, a quantidade de informações que podem ser enviadas com segurança também é, em princípio, pelo menos, ilimitado.

Embora todos os padrões sejam equivalentes em termos de capacidade de informação, este trabalho sugere que a escolha do padrão também desempenha um papel importante na análise e correção dos erros experimentados ao passar pelo link.

"Ao trabalhar nesta área cinzenta entre o clássico e o quântico, podemos mostrar uma transferência de dados rápida e segura em links do mundo real, "diz Forbes.