Pesquisadores que trabalham em Cingapura e nos Estados Unidos descobriram que todos os estados emaranhados de duas partículas têm uma "impressão digital" clássica. Essa descoberta pode ajudar os engenheiros a se protegerem contra erros e dispositivos que não cumprem o que prometem na computação quântica e na criptografia quântica.

Goh Koon Tong e Valerio Scarani no Centre for Quantum Technologies da National University of Singapore, com Andrea Coladangelo no California Institute of Technology, relatado em Nature Communications em 26 de maio que um simples conjunto de medições pode atuar como uma verificação de identidade para qualquer estado emaranhado de duas partículas. A presença dessa impressão digital pode ajudar a certificar computadores quânticos ou dispositivos de criptografia quântica adquiridos de terceiros.

Um estado quântico emaranhado é feito de duas ou mais partículas mantidas em uma infinidade de resultados indecisos. Esses estados são combustível para a computação quântica e trazem segurança para a comunicação quântica. O problema é, é difícil verificar se esses estados têm as propriedades esperadas deles. Isso deixa a porta aberta para dispositivos que funcionam mal.

"Gosto de ver nosso trabalho levando o poder de testar dispositivos quânticos aos consumidores que os utilizam. Atualmente, apenas aqueles que constroem os dispositivos ou entendem o aspecto de engenharia deles podem realizar o teste, "diz Goh. Os físicos quânticos também podem usar esta ferramenta de 'autoteste' como uma etapa de verificação em experimentos de laboratório.

O trabalho se baseia nos resultados de outros grupos, estendendo as descobertas dos qubits aos qudits mais exóticos. Qudits são bits quânticos de dimensão superior. Em vez de apenas armazenar um bit binário de informação - um 0 ou 1 - um qudit tem maior densidade de informação, armazenando um 0, 1, 2, 3, 4, etc. Tais estados, embora difícil de fazer, são interessantes porque podem acelerar algumas tarefas de computação ou comunicação.

A ideia do autoteste é significativa porque geralmente é difícil obter muitas informações sobre o estado quântico de uma partícula. O estado de uma partícula é descrito por uma 'função de onda' que codifica as probabilidades para as várias propriedades da partícula, como polarização ou momentum. Para ter certeza sobre um estado quântico, você precisa conhecer toda a função de onda. Contudo, existe um problema aqui. Medir o estado quântico revela apenas um valor - não o conjunto completo de possibilidades.

A maneira tradicional de tentar aprender o estado quântico completo envolve uma técnica chamada tomografia. Isso requer medir muitas cópias do estado quântico de maneiras diferentes, contar todos os resultados das várias medições para dar um conjunto completo de probabilidades. Também envolve um processo laborioso de caracterizar os dispositivos de medição e alinhá-los com a fonte das partículas quânticas.

O autoteste é mais eficiente, exigindo menos medições. Também é 'independente do dispositivo', ou como tomografia cega - sem necessidade de caracterização do dispositivo de medição, contanto que o dispositivo tenha garantia de detectar a maioria das partículas. Isso ocorre porque a impressão digital é um padrão de resultados nas medições das duas partículas que só poderiam ser criadas de forma consistente pelas estranhas correlações no estado quântico, não por qualquer processo clássico ou por acaso. Vendo esse padrão, então, o estado quântico deve estar presente.

O famoso 'experimento CHSH' na física quântica é um exemplo de impressão digital para um estado quântico de dois qubits. Para provar que existem testes de impressão digital para todos os estados de dois qudit, os autores mostraram que esses estados podem ser considerados compostos por blocos de sistemas de dois níveis, semelhante a qubits. Melhor ainda, esta equivalência matemática aponta para quais medições são necessárias - embora não esteja claro ainda se elas são experimentalmente amigáveis ​​para serem feitas.

A equipe espera que essa descoberta motive uma nova onda de pesquisas para encontrar maneiras diretas de incorporar essa verificação em experimentos ou dispositivos. Até aqui, os sinais são bons. "De todo o meu trabalho nos últimos cinco anos, isso atraiu mais atenção, "diz Scarani. Além de ouvir os colegas interessados ​​no resultado, ele foi convidado para dar uma palestra sobre autoteste no QCrypt, uma conferência anual sobre criptografia quântica realizada este ano no Reino Unido em setembro.