A física do microreino envolve dois conceitos famosos e bizarros:o primeiro é que antes da observação, é impossível saber com certeza o resultado de uma medição em uma partícula; em vez disso, a partícula existe em uma "superposição" abrangendo vários estados mutuamente exclusivos. Assim, uma partícula pode estar em dois ou mais lugares ao mesmo tempo, e você só pode calcular a probabilidade de encontrá-la em um determinado local quando olhar. A segunda envolve o "emaranhamento", o elo assustador que pode unir dois objetos, não importa o quanto estejam separados. Tanto a superposição quanto o emaranhamento são descritos matematicamente pela teoria quântica. Mas muitos físicos acreditam que a teoria final da realidade pode estar além da teoria quântica. Agora, uma equipe de físicos e matemáticos descobriu uma nova conexão entre essas duas propriedades estranhas que não pressupõe que a teoria quântica esteja correta. O estudo deles aparece em Cartas de Revisão Física .
“Ficamos realmente empolgados em encontrar essa nova conexão que vai além da teoria quântica, porque a conexão será válida mesmo para teorias mais exóticas que ainda não foram descobertas”, diz Ludovico Lami, membro do think-tank de física, o Foundational Questions Institute, FQXi, e físico da Universidade de Ulm, na Alemanha. "Isso também é importante porque independe do formalismo matemático da teoria quântica e usa apenas noções com uma interpretação operacional imediata", acrescenta. Lami é coautor do estudo com Guillaume Aubrun, da Claude Bernard University Lyon 1, na França, Carlos Palazuelos, da Universidade Complutense de Madri, na Espanha, e Martin Plávala, da Siegen University, na Alemanha.

Embora a teoria quântica tenha provado ser extremamente bem-sucedida desde seu desenvolvimento há um século, os físicos lutaram para unificá-la com a gravidade para criar uma "teoria de tudo" abrangente. Isso sugere que a teoria quântica pode não ser a palavra final para descrever a realidade, inspirando os físicos a buscar uma estrutura mais fundamental. Mas qualquer teoria definitiva desse tipo ainda deve incorporar superposição, emaranhamento e a natureza probabilística da realidade, uma vez que essas características foram confirmadas repetidamente em testes de laboratório. A interpretação desses experimentos não depende de a teoria quântica estar correta, observa Lami.

Criptografia quântica

Há implicações práticas também. O emaranhamento quântico desempenha um papel fundamental no design de computadores quânticos – máquinas que podem superar computadores padrão em determinadas tarefas – e em protocolos criptográficos quânticos, que já estão em uso e exploram regras quânticas para fornecer comunicação ultra-segura entre canais que, em teoria, , são imunes a hackers. Mas se a teoria quântica eventualmente precisar ser substituída por outra teoria mais fundamental no futuro, descobriremos que essas regras não eram realmente válidas ou esses protocolos criptográficos não são seguros como prometido?

O problema é que, para descobrir, você precisa analisar a superposição e o emaranhamento em termos de alguma teoria geral – e ainda desconhecida –, sem usar a matemática da teoria quântica. Como você pode fazer isso? Lami e seus colegas resolveram esse quebra-cabeça estudando "teorias probabilísticas gerais", em vez de teoria quântica. A pesquisa foi apoiada em parte por uma bolsa que Lami e outros receberam do Foundational Questions Institute, FQXi, para estudar as características e limitações da inteligência em teorias probabilísticas generalizadas, permitindo-lhes examinar como a informação é processada em abstrato clássico, quântico e sistemas "além quânticos". “Esta bolsa FQXi me deu a chance de pensar sobre algumas características universais do processamento de informações em teorias além da mecânica quântica, modeladas matematicamente por teorias probabilísticas gerais, mais de perto”, diz Lami. "E o exemplo primitivo criptográfico que estudamos, distribuição de chave secreta, é uma das tarefas mais simples em que esse formalismo pode ser aplicado."

No novo artigo, publicado em Physical Review Letters , a equipe mostrou que duas teorias físicas exibem emaranhamento quando combinadas, se e somente se ambas exibem superposições locais. Isso significa que emaranhamento e superposição são equivalentes em qualquer teoria física, não apenas na teoria quântica. Eles também calcularam que em sistemas em que essa equivalência é válida – seja quântica ou além do quântico – as leis da teoria podem ser exploradas para criptografia ultra-segura. Em particular, a equipe mostrou que um certo protocolo criptográfico quântico popular, conhecido como "BB84", sempre funcionará - mesmo que um dia se descubra que a teoria quântica não está totalmente correta e precisa ser substituída por uma teoria mais fundamental.

“É de alguma forma reconfortante saber que a criptografia é realmente uma característica de todas as teorias não clássicas, e não apenas uma esquisitice quântica, já que muitos de nós acreditam que a teoria final da natureza provavelmente não será clássica”, diz Lami. "Mesmo se um dia descobrirmos que a teoria quântica está incorreta, ainda saberemos que a distribuição de chaves secretas pode, em princípio, funcionar." + Explorar mais

O emaranhamento é uma característica inevitável da realidade