brecha

Nature volume 617, páginas 265–270 (2023) Cite este artigo

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Superposição, emaranhamento e não localidade constituem características fundamentais da física quântica. O fato de a física quântica não seguir o princípio da causalidade local1,2,3 pode ser demonstrado experimentalmente em testes de Bell4 realizados em pares de sistemas quânticos emaranhados e separados espacialmente. Embora os testes de Bell, que são amplamente considerados como um teste decisivo da física quântica, tenham sido explorados usando uma ampla gama de sistemas quânticos nos últimos 50 anos, apenas recentemente experimentos livres das chamadas brechas5 foram bem-sucedidos. Tais experimentos foram realizados com spins em centros de vacância de nitrogênio6, fótons ópticos7,8,9 e átomos neutros10. Aqui demonstramos uma violação sem lacunas da desigualdade de Bell com circuitos supercondutores, que são os principais candidatos para a realização da tecnologia de computação quântica11. Para avaliar uma desigualdade de Bell do tipo Clauser-Horne-Shimony-Holt4, emaranhamos de forma determinista um par de qubits12 e realizamos medições rápidas e de alta fidelidade13 ao longo de bases escolhidas aleatoriamente nos qubits conectados por meio de um link criogênico14 abrangendo uma distância de 30 metros. Avaliando mais de 1 milhão de ensaios experimentais, encontramos um valor S médio de 2,0747 ± 0,0033, violando a desigualdade de Bell com um valor P menor que 10−108. Nosso trabalho demonstra que a não-localidade é um novo recurso viável na tecnologia de informação quântica realizada com circuitos supercondutores com aplicações potenciais em comunicação quântica, computação quântica e física fundamental15.

Uma das características surpreendentes da física quântica é que ela contradiz nossa compreensão intuitiva comum da natureza seguindo o princípio da causalidade local1. Este conceito deriva da expectativa de que as causas de um evento sejam encontradas em sua vizinhança (ver Informações Suplementares seção I para uma discussão). Em 1964, John Stewart Bell propôs um experimento, hoje conhecido como teste de Bell, para demonstrar empiricamente que as teorias que satisfazem o princípio da causalidade local não descrevem as propriedades de um par de sistemas quânticos emaranhados2,3.

Em um teste de Bell4, duas partes distintas, A e B, cada uma contém uma parte de um sistema quântico emaranhado, por exemplo, um dos dois qubits. Cada parte escolhe uma das duas medições possíveis para realizar em seu qubit e registra o resultado da medição binária. As partes repetem o processo várias vezes para acumular estatísticas e avaliam uma desigualdade de Bell2,4 usando as opções de medição e os resultados registrados. Espera-se que sistemas governados por modelos de variáveis ​​ocultas locais obedeçam à desigualdade, enquanto sistemas quânticos podem violá-la. As duas suposições subjacentes na derivação da desigualdade de Bell são a localidade, o conceito de que o resultado da medição no local da parte A não pode depender da informação disponível na localização da parte B e vice-versa, e a independência da medição, a ideia de que a escolha entre as duas medições possíveis é estatisticamente independente de quaisquer variáveis ​​ocultas.

Uma década após a proposta de Bell, os primeiros testes experimentais pioneiros de Bell foram bem-sucedidos16,17. No entanto, esses primeiros experimentos dependiam de suposições adicionais18, criando brechas nas conclusões tiradas dos experimentos. Nas décadas seguintes, experimentos baseados em cada vez menos suposições foram realizados19,20,21, até que violações da desigualdade de Bell sem brechas, que fecham todas as principais brechas simultaneamente, foram demonstradas em 2015 e nos anos seguintes6,7,8,9,10 ; ver ref. 22 para uma discussão.

No desenvolvimento da ciência da informação quântica, ficou claro que os testes de Bell baseados em um número mínimo de suposições não são apenas de interesse para testar a física fundamental, mas também servem como um recurso chave em protocolos de processamento de informações quânticas. A observação de uma violação da desigualdade de Bell indica que o sistema possui correlações não clássicas e afirma que o estado quântico potencialmente desconhecido tem um certo grau de emaranhamento e pureza. Essa avaliação, baseada nas correlações observadas entre a entrada escolhida (a escolha da base de medição) e os valores de saída registrados (o resultado da medição) do teste, não depende do conhecimento do funcionamento interno do sistema: uma propriedade conhecida como dispositivo independência23. Isso permite identificar estados e medições quânticas24, certificar o correto funcionamento de dispositivos de computação quântica25 e estabelecer chaves comuns e secretas entre duas partes com apenas suposições limitadas sobre os dispositivos usados26. Outras aplicações dos testes de Bell incluem geração e expansão de aleatoriedade independente do dispositivo, estendendo uma determinada cadeia de bits aleatórios de maneira certificada27,28 e amplificação de aleatoriedade, melhorando a qualidade de uma fonte de aleatoriedade de maneira certificada29,30, o que é uma tarefa impossível alcançar por meios puramente clássicos.