Comunicação quântica é via dupla

Antônio Murilo Macedo
15/04/2018

Placa indicando uma via de dois sentidos. [1]
Comunicação eficiente, segura e em alta velocidade é uma das principais demandas da sociedade moderna. É difícil imaginar nossas vidas hoje sem celulares, tablets ou notebooks conectados à internet 24 horas por dia. Comunicação também é uma das formas de estabelecermos uma relação direta de causa e efeito. O exemplo mais simples disso é uma ordem vinda de um chefe ou superior hierárquico do tipo “faça isso” ou “faça aquilo”. Quando paramos para pensar, vemos que boa parte de nossas vidas é regulada pelo imperativo da comunicação e a falta de informação é em grande medida a principal fonte de nossos problemas.

Do ponto de vista formal a teoria da comunicação foi desenvolvida por Claude Shannon em 1948 [2] usando ferramentas da teoria da probabilidade. O mais conhecido conceito introduzido por Shannon em sua teoria foi o da entropia da informação, que é essencialmente uma medida da quantidade de informação contida em uma mensagem. Podemos entender intuitivamente a entropia de Shannon pelo seguinte exemplo. Suponha que você tenha 8 caixas colocadas lado a lado e alguém escondeu uma bola em uma delas. Esta pessoa então pede que você descubra em que caixa está a bola fazendo um número mínimo de perguntas binárias, ou seja do tipo que as respostas são apenas sim ou não. Para facilitar a elaboração de perguntas você enumera as caixas da direita para a esquerda. Se as caixas são todas iguais e a pessoa teve acesso a todas elas a entropia de Shannon deste problema é 3, ou seja, você pode saber com certeza absoluta em que caixa está a bola fazendo apenas 3 perguntas binárias. Tente achar a solução.

No formalismo de Shannon um sistema de comunicação é formado por 5 partes: a fonte da mensagem, o transmissor, o canal ou meio de transmissão, o receptor e o destino da mensagem. A mensagem é codificada no transmissor para se adequar ao meio de transmissão e é decodificada no receptor. Os protocolos de comunicação atuam em todas as etapas do processo para maximizar sua eficácia e eficiência. A entropia de Shannon é um conceito chave na construção de protocolos, pois ela estabelece os limites para compressão da mensagem sem perda de conteúdo. Você pode usar os aplicativos que comprimem arquivos, como por exemplo o zip, para estimar a quantidade de informação em uma dada mensagem, pois um arquivo não pode ser comprimido abaixo da entropia de Shannon.

A mecânica quântica trouxe uma nova perspectiva para a teoria da comunicação. Conceitos como superposição de estados e entrelaçamento foram incorporados à noção de informação quântica e novos protocolos de transmissão e compactação de mensagens tornaram-se possíveis superando limites considerados impossíveis na teoria clássica. Um bom exemplo disto é a codificação superdensa, na qual uma mensagem clássica maximamente compactada em dois bits é recodificada em um único bit quântico (qubit). Usando a analogia do compressor zip, com uma codificação superdensa um arquivo zip quântico teria aproximadamente metade do tamanho que um arquivo zip clássico. Um outro exemplo de limitação clássica para a transmissão de uma mensagem pode ser descrito pelo seguinte problema. Suponha que duas pessoas, Alice e Beto tenham feito testes e receberam os resultados em envelopes confidenciais que foram enviados separadamente para a casa de cada um. Ao ler os resultados de seus testes, Alice e Beto precisam decidir o que fazer levando em conta o resultado do outro teste. Para um saber o resultado do teste do outro eles precisam enviar o resultado através de um mensageiro que leva um tempo T para transportar a mensagem da casa de um para a do outro. O problema é que T é também o tempo que eles têm para tomar a decisão logo após abrir seus envelopes e há apenas um mensageiro que pode estar com Alice ou com Beto na hora que eles abrem o envelope. Este problema obviamente não tem solução clássica, portanto ou Alice ou Beto tomarão suas decisões sabendo o resultado do teste do outro, mas nunca ambos. Surpreendentemente, existe uma solução para este problema usando comunicação quântica.

Em um artigo recente [3], pesquisadores da Universidade de Viena na Áustria mostraram experimentalmente que um mensageiro quântico em estado de superposição pode estar simultaneamente na casa de Alice e na casa de Bob e desta forma ele pode enviar as duas mensagens no tempo T, ou seja enviar para Alice o resultado do teste de Beto e enviar para Beto o resultado do teste de Alice. Além de realizarem uma tarefa classicamente impossível, os autores também mostraram que o protocolo que eles usaram é completamente seguro, ou seja uma terceira pessoa não tem como interceptar a mensagem transmitida nem saber em que direção ela foi enviada. Em outras palavras ela não tem como saber quem recebeu o que de quem. No experimento, o papel do mensageiro é feito por um fóton que por meio de um divisor de feixes é colocado em um estado de superposição entre as posições de Alice e Beto. Então, Alice e Beto codificam o estado de seus bits na fase do fóton e o direcionam para um segundo divisor de feixes que cria o estado final. Os pesquisadores tomaram vários cuidados na implementação do experimento, como por exemplo garantir que no tempo de observação o fóton não pode fazer mais que uma viagem entre as posições de Alice e Beto.

Como todos os protocolos quânticos que superam os similares clássicos, a comunicação quântica em via dupla deverá ter um grande impacto na construção de soluções de problemas práticos para a comunicação quântica segura. Combinando com outros resultados recentes, como a descoberta de materiais adequados para memórias quânticas [4], este experimento poderá estar abrindo as portas para a demonstração experimental da viabilidade prática de uma internet quântica rápida e segura.

[1] Crédito da Imagem: Clker-Free-Vector-Images (Pixabay) / CC0 Creative Commons. https://pixabay.com/pt/à-frente-tráfego-dois-forma-44409/.

[2] CE Shannon. A Mathematical Theory of Communication. Bell System Technical Journal 27, 379 (1948).

[3] F Massa et al. Experimental two-way communication with one photon. arXiv:1802.05102 [quant-ph] (2018).

[4] M Rančić et al. Coherence time of over a second in a telecom-compatible quantum memory storage material. Nature Physics 14, 50 (2018).

Como citar este artigo: Antônio Murilo Macedo. Comunicação quântica é via dupla. Saense. http://www.saense.com.br/2018/04/comunicacao-quantica-e-via-dupla/. Publicado em 15 de abril (2018).

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Antônio Murilo Macedo

Doutor em Física. Professor da Universidade Federal de Pernambuco. Escreve sobre Informação Quântica no Saense.

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