Por mais de 20 anos, pesquisadores quânticos se perguntaram se um sistema quântico pode ter emaranhamento máximo na presença de ruído. Um matemático da Espanha respondeu recentemente à pergunta: Não.

A ideia do emaranhamento quântico começou com um debate entre Niels Bohr e Albert Einstein; Einstein não gostou da noção e a chamou ironicamente de "ação fantasmagórica à distância". Os físicos quânticos ficaram intrigados com o conceito por décadas, e ele foi refinado em um princípio fundamental conhecido como desigualdades de Bell, que delineou os reinos clássico e quântico.

O emaranhamento ocorre quando os objetos em um sistema, sejam eles quais forem, não podem ser descritos independentemente uns dos outros. Eles estão de alguma forma conectados de maneiras que os cientistas não conseguiram explicar — ou melhor, entender, já que parece tão pouco intuitivo para nós, seres clássicos que fazemos pensamento clássico, não quântico.

Cientistas quânticos estão usando o fenômeno do emaranhamento para construir e melhorar tecnologias como computadores quânticos, criptografia quântica, sensores quânticos e teletransporte quântico, e querem ir além.

Muitos cientistas quânticos acreditam que os computadores quânticos exigirão partículas ou moléculas em um estado emaranhado. Tais estados existem apenas na mecânica quântica. Considere um sistema de dois elétrons emaranhados cujo spin líquido é zero. Meça o spin de um e, seja ele qual for, o parceiro emaranhado aparentemente cai imediatamente no spin oposto, não importa a distância.

No entanto, misteriosamente, nenhuma informação viajou entre as duas partículas. O entrelaçamento foi demonstrado para um sistema cujos membros estão a mais de 1.000 km de distância.

Um qubit é um bit quântico, onde o estado (aqui, um elétron) pode existir em múltiplos estados ao mesmo tempo; diz-se que o elétron está em uma superposição quântica. Acima, antes de ser medido, cada elétron é um qubit, uma superposição de um estado de spin up e um estado de spin down. O estado quântico maximamente emaranhado de dois qubits é chamado de estado de Bell; os qubits exibem uma correlação perfeita que não pode ser explicada sem a mecânica quântica.

Nas últimas décadas, cientistas e engenheiros passaram a ver o emaranhamento como um recurso que permite tarefas em tecnologias quânticas que são impossíveis em sistemas clássicos. Ao usar o emaranhamento quântico, os pesquisadores gostariam de atingir um estado de emaranhamento máximo, onde as partículas, luz ou moléculas têm conexões emaranhadas máximas entre si no mundo real — as partículas são correlacionadas de uma forma que não é possível no mundo clássico, e todas as medições possíveis do sistema emaranhado podem ser realizadas. Isso forneceria a forma mais útil de emaranhamento e seria um padrão ouro em aplicações.

Na ausência de qualquer ruído — qualquer perturbação do estado emaranhado, como flutuações térmicas, vibrações mecânicas, flutuações na voltagem de uma fonte de alimentação, etc. — os teóricos da informação quântica sabem que o estado de emaranhamento máximo existe, o que é independente de medições.

Mas o mundo real tem ruídos inevitáveis batendo nas portas em todos os lugares, incluindo estados emaranhados. O estado maximamente emaranhado ainda pode existir? De fato, essa questão está classificada como número 5 na lista de problemas quânticos abertos publicada pelo Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica em Viena.

Agora Julio I. de Vicente da Universidad Carlos III de Madrid respondeu à questão negativamente — se o ruído estiver presente, não é possível maximizar simultaneamente todos os tipos de emaranhamento do sistema. Seu trabalho foi publicado na Physical Review Letters.

"O melhor estado que alguém pode preparar depende da escolha do quantificador de emaranhamento assim que nos afastamos do cenário idealizado, mesmo sob a menor forma de ruído", disse de Vicente. "Assim, no regime ruidoso, não há noção universal de emaranhamento máximo, e o melhor estado que alguém pode preparar depende da tarefa."

Um "quantificador de emaranhamento" atribui um número ao grau de emaranhamento. Uma "tarefa" neste contexto é o propósito para o qual um estado emaranhado é utilizado.

É importante entender que o resultado de Vicente se aplica somente a estados ruidosos maximamente emaranhados com um espectro fixo. Dois estados quânticos têm o mesmo espectro se eles têm a mesma quantidade de ruído subjacente. Os resultados de Vicente não se aplicam ao caso em que temos permissão para mudar o espectro (isto é, aumentar ou diminuir o ruído) entre dois estados quânticos.

Um importante quantificador de emaranhamento é a entropia de emaranhamento; como na termodinâmica, é uma medida da quantidade de desordem em um sistema. Os estados de Bell têm uma alta quantidade de entropia, e estados ruidosos de dois qubits eram conhecidos por maximizar outros quantificadores de emaranhamento. Acreditava-se fortemente que eles deveriam maximizar todos os quantificadores possíveis, o que agora se mostra incorreto.

Namit Anand, cientista da equipe da KBR e do NASA Ames' Quantum AI Lab (QuAIL), diz: "Isso é uma surpresa, pois sabia-se que existem classes de estados ruidosos de dois qubits que parecem ser como a generalização do estado de Bell". Mas a prova de Vicente implica, entre outras coisas, que o equivalente ao estado de Bell não existe na presença de ruído.

"Isso nos lembra que a história não é tão simples quanto parece", disse Anand. "E talvez, como acontece frequentemente na pesquisa fundamental , quando um problema aberto é resolvido, ele nos deixa com mais perguntas do que respostas."

O autor agradece a Namit Anand pelos valiosos insights e assistência.