Almost-Quantum Correlations Violate Information Causality

Na estranha paisagem da física quântica, partículas podem tornar-se ligadas de formas que desafiam nossa intuição cotidiana. Quando duas dessas partículas são medidas longe uma da outra, o resultado de uma medição parece influenciar a outra instantaneamente, um fenômeno conhecido como não localidade. Por décadas, físicos tentaram entender os limites dessa conexão. Eles sabem que a natureza não permite que a informação viaje mais rápido que a luz, uma regra chamada princípio da não sinalização. No entanto, dentro dessa regra, existe um vasto espaço de possibilidades. Alguns modelos teóricos sugerem correlações tão fortes que permitiriam feitos impossíveis, como adivinhar um código secreto com precisão perfeita usando apenas uma pequena dica. Para fazer sentido de por que nosso universo segue as regras específicas da mecânica quântica e não essas possibilidades mais selvagens, cientistas propuseram um princípio orientador chamado causalidade da informação. Essa ideia sugere um limite simples: se você enviar a alguém uma mensagem de um certo tamanho, digamos um bit, essa pessoa não pode ganhar mais do que essa quantidade de informação sobre seus dados secretos, não importa o quão habilidosamente ela tente decodificá-los. Esse princípio é verdadeiro em nosso mundo quântico conhecido e ajuda a explicar por que a natureza para antes das possibilidades teóricas mais extremas.

Um grupo de pesquisadores no S. N. Bose National Centre for Basic Sciences, em Calcutá, testou agora esse princípio contra um conjunto específico e altamente sofisticado de correlações teóricas conhecidas como "quase-quânticas". Essas correlações são um relaxamento matemático das regras quânticas; elas são ligeiramente mais frouxas do que o que a mecânica quântica permite, mas ainda satisfazem muitas outras restrições físicas conhecidas. Durante anos, simulações computacionais sugeriram que essas correlações quase-quânticas poderiam respeitar a causalidade da informação, encaixando-se confortavelmente dentro dos limites de um mundo físico sensato. No entanto, o novo estudo derruba essa expectativa. Ao projetar um jogo de comunicação específico, os pesquisadores demonstraram que as correlações quase-quânticas podem violar o princípio da causalidade da informação sem qualquer limite. Em seu cenário, um único bit de comunicação permite que o receptor acesse uma quantidade massiva de informação sobre os dados do remetente, um feito que é estritamente proibido em nosso universo.

O experimento baseia-se em um jogo inteligente envolvendo duas partes, Alice e Bob, que compartilham uma conexão misteriosa. Alice possui uma longa sequência de bits aleatórios, que ela divide em muitos blocos. Bob é solicitado a identificar o conteúdo de um bloco específico escolhido ao acaso. Em um jogo padrão, se Alice enviar a Bob apenas um bit de informação, ele deve ser capaz de aprender apenas sobre um bit de seus dados. Os pesquisadores construíram um protocolo onde Alice e Bob usam um tipo especial de conexão, uma "caixa quase-quântica", para jogar este jogo. Esta caixa tem uma propriedade única: ela pode ocasionalmente produzir um resultado específico que atua como um certificado perfeito. Se este certificado aparecer, ele prova com absoluta certeza que um determinado bloco dos dados de Alice consiste inteiramente de uns. Crucialmente, o certificado nunca mente; se ele aparecer, os dados são exatamente como alegados. No entanto, o certificado é raro.

O poder desta configuração reside em como a raridade é superada. Os pesquisadores mostraram que, ao usar uma caixa com um número muito grande de configurações possíveis — especificamente, mais de 750.000 opções diferentes para cada parte — o certificado raro torna-se eficaz o suficiente para quebrar as regras. Quando o certificado aparece, ele revela todo o bloco de dados, não apenas um único bit. Como a caixa é tão versátil, ela pode certificar qualquer um dos muitos blocos. Os pesquisadores calcularam que, com um número específico de configurações e um comprimento específico para os blocos de dados, a informação total que Bob ganha excede em muito o único bit que Alice enviou. Em um caso específico, usando uma sequência de mais de 13 milhões de bits, a informação ganha foi ligeiramente superior a um bit, o suficiente para provar a violação. Ao ajustar os parâmetros, eles mostraram que essa violação poderia ser tornada arbitrariamente grande, o que significa que o receptor poderia aprender uma quantidade ilimitada de informação de um único bit de comunicação.

Esta descoberta cria uma divisão nítida em nossa compreensão das teorias físicas. Ela prova que as correlações quase-quânticas, apesar de satisfazerem muitos outros princípios físicos, são fundamentalmente incompatíveis com a ideia de que a informação é limitada pelo tamanho da mensagem enviada. Os pesquisadores argumentam que, se uma teoria permite essas correlações, ela deve abandonar uma regra padrão sobre como a informação se combina, conhecida como a regra da cadeia. Esta regra estabelece essencialmente que a informação total que você tem sobre um sistema pode ser decomposta na informação que você tem sobre suas partes. O estudo sugere que, em um mundo com correlações quase-quânticas, essa decomposição falharia, e a maneira como a informação é armazenada e processada seria radicalmente diferente do que observamos.

O trabalho não afirma que nosso universo opera desta forma; em vez disso, utiliza essa violação teórica para refinar nossa compreensão de por que a mecânica quântica é como é. Os pesquisadores observam que seu protocolo requer um número muito grande de configurações para funcionar, razão pela qual buscas computacionais anteriores perderam a violação. A escala imensa de configurações necessárias explica por que o conjunto quase-quântico pareceu seguro em simulações anteriores de menor escala. O estudo também destaca uma diferença fundamental entre como a mecânica quântica e essas correlações quase-quânticas lidam com a certeza. No mundo quântico, a certeza perfeita sobre uma relação entre eventos distantes é extremamente limitada. No mundo quase-quântico, esse limite é relaxado, permitindo os certificados raros, porém perfeitos, que impulsionam a violação.

Em última análise, o artigo estabelece que as correlações quase-quânticas não são uma descrição viável de nossa realidade física se quisermos manter o princípio da causalidade da informação. Isso força os físicos a escolher entre aceitar essas correlações e abrir mão de uma regra fundamental sobre como a informação funciona, ou rejeitar as correlações como não físicas. Os pesquisadores sugerem que esta última é o caminho mais provável, implicando que as restrições específicas da mecânica quântica são necessárias para preservar um fluxo consistente de informação. Este resultado adiciona uma peça significativa ao quebra-cabeça de longa data de por que a natureza segue as regras que segue, descartando uma classe de teorias que anteriormente pareciam um candidato promissor para uma compreensão mais profunda do mundo quântico.