‘Jamming’ quântico pode ajudar a desvendar os mistérios da causalidade

A versão original de esta história apareceu em Revista Quanta.

Nas últimas décadas, os pesquisadores entenderam que os computadores quânticos deveriam eventualmente ser capazes de decifrar os códigos amplamente usados que protegem grande parte do mundo digital. Para se protegerem deste destino, passaram anos a desenvolver novos códigos que parecem ser protegido de futuros arrombadores de cofres armado com computadores quânticos.

Ao mesmo tempo, eles também criaram maneiras engenhosas usar as regras da mecânica quântica para manter as comunicações seguras. Mas a mecânica quântica, tal como a mecânica “clássica” que a precedeu, é apenas uma teoria da natureza. E se eventualmente for substituída por uma teoria mais completa, tal como a mecânica quântica suplantou a física newtoniana há um século? Será que estas técnicas de comunicação quântica ainda serão seguras num mundo onde existe um conjunto de regras ainda mais fundamental?

“Em termos desses protocolos criptográficos, é bom ser paranóico”, disse Ravishankar Ramanathanum teórico da informação quântica da Universidade de Hong Kong que trabalha com criptografia quântica. “Vamos tentar minimizar as suposições por trás do protocolo. Vamos supor que em alguma data futura as pessoas percebam que a mecânica quântica não é a teoria definitiva da natureza.”

É uma possibilidade que vale a pena considerar. A dificuldade de problemas pendentes – como conciliar a mecânica quântica e a gravidade – sugere que uma teoria pós-quântica da natureza pode envolver algo bastante inesperado.

Para se protegerem contra a possibilidade de os seus protocolos se basearem em suposições erradas, alguns criptógrafos quânticos procuram princípios ainda mais básicos sobre os quais se basearem. Em vez de partir da mecânica quântica, eles vão mais fundo, até o próprio conceito de causalidade.

Uma sabotagem sutil

Uma forma de compreender os desenvolvimentos nesta área é considerar a distribuição quântica de chaves, que envolve tirar partido das regras da mecânica quântica para transmitir uma chave – algo que pode ser usado para descodificar uma mensagem secreta – de uma forma que não possa ser secretamente adulterada. A distribuição de chaves quânticas faz uso do emaranhamento quântico, que mantém duas partículas unidas por meio de uma de suas propriedades, como o spin. O emaranhado quântico contém uma espécie de fio de viagem. Se alguém tentar mexer com o emaranhado – como faria se tentasse roubar a chave – a intrusão destruirá o emaranhado, revelando a sabotagem. Isto se deve a um princípio fundamental da mecânica quântica chamado “monogamia do emaranhamento”.

Mas e se esse princípio não for mais válido? Nesse caso, se as pessoas que transmitem a mensagem não tivessem controle total de seus dispositivos, alguém de fora poderia alterar sutilmente o emaranhado das partículas, interrompendo a comunicação sem deixar rastros.

Esse processo é chamado de bloqueio quântico, e os esforços para entendê-lo aumentaram nos últimos anos.

Para muitos cientistas, o bloqueio é atraente porque pode ajudá-los a compreender melhor a mecânica quântica e a natureza da causa e do efeito. Eles se perguntam: existem princípios profundos que proíbem a interferência, que a tornam impossível? Ou, se nenhum princípio o proibir, poderia ocorrer interferência no mundo real?

Jim, o jammer

Michael Ecksteinfísico teórico da Universidade Jaguelônica de Cracóvia, na Polônia, gosta de ilustrar o improviso com uma história. Seus protagonistas são os personagens clássicos das explicações da mecânica quântica, Alice e Bob.

“Suponha que você tenha Alice e Bob, e eles conheçam um mágico, Jim, o Jammer”, disse Eckstein. “O mágico diz: ‘Eu tenho duas bolas; uma é branca e a outra é preta.’”

As bolas representam um par de partículas emaranhadas. Se duas partículas estão emaranhadas, elas têm uma propriedade que está ligada de alguma forma – se você medir a primeira partícula e descobrir que seu spin está para cima, por exemplo, o spin da outra partícula será inevitavelmente para baixo, e vice-versa. Isto é verdade mesmo que a outra partícula esteja no meio do universo. Aqui as bolas estão ligadas de tal forma que se uma for branca, a outra será sempre preta.