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Teoria da Informação Quântica pode revelar a natureza real do mundo físico

Pergunte para qualquer físico quais são as duas principais teorias do século 20, e eles provavelmente vão dar a mesma resposta: a teoria da relatividade de Einstein e a mecânica quântica. Mas talvez uma terceira teoria, do século 21, entre para o hall da fama: a Teoria da Informação Quântica, ou Teoria Quântica da Informação.
A mecânica quântica surgiu na década de 20, para descrever o estranho comportamento dos átomos e elétrons. Já a teoria da informação apareceu duas décadas depois, com fórmulas para quantificar a comunicação através de telefones.
Ao contrário dos físicos quânticos, mais preocupados em desenvolver computadores super rápidos, os teóricos da informação quântica estão motivados a entender a realidade física, e entender melhor a mecânica quântica da natureza.
 
Realidade computadorizada
 
No coração da ciência da informação quântica está um modelo de representação da informação, conhecido como qubit. Ele é análogo ao 1 e 0 , processados por computadores comuns – os bits. Mas um qubit está dentro do universo quântico, por isso pode ser o 1 e o 0 ao mesmo tempo. Essa superposição de identidade dá à informação quântica um poder extraordinário.
Os qubits podem, por exemplo, transmitir mensagens codificadas super seguras, tipicamente na forma de fótons. Elas são seguras porque qualquer tentativa de alterar a mensagem seria notada.
Esse tipo de sistema já é comercializado, e talvez um dia se torne uma necessidade de mercado devido à outra aplicação da Informação Quântica: a computação quântica. Computadores com qubtis poderiam resolver problemas que um supercomputador comum não conseguiria em milhões de anos.
Aplicações? Você poderia usar um computador assim para prever o resultado de reações químicas, por exemplo, sem necessitar dos tubos de laboratório. Essa habilidade poderia melhorar a produção de materiais industriais e de medicamentos.
“Nós não prevemos que você vai usar um computador quântico para enviar um e-mail. Mas jogos quânticos seriam realmente incríveis”, afirma o físico John Preskill.
Além do mercado, os cientistas pretendem usar essas teorias para entrar nas fundações da realidade. A quântica poderia mostrar a interface entre a matemática e o mundo físico.
Quebrar códigos, por exemplo, envolve solucionar o complicado problema matemático de encontrar os fatores primos de um número muito grande, com centenas de dígitos. Mas, como descoberto por Peter Shor, em 1994, algoritmos do computador quântico conseguem solucionar isso – e as implicações são grandes.
“Fatores são um problema difícil clássico”, afirma Preskill. “Mas os algoritmos de Shor demonstram que isso é um problema fácil para a visão quântica”. Em outras palavras, o processamento de informações quânticas revela algo sobre a relação matemática com a realidade física, algo antes não imaginado.
Mas alguns problemas matemáticos são difíceis até quanticamente. Entendê-los poderia nos dar uma noção de que tipos de computações matemáticas são possíveis no universo físico.
Um desses problemas, que está sendo estudado pelo cientista Scott Aaronson, é a tese de Church-Turing. Ela basicamente indica que qualquer coisa que possa ser computada por um sistema físico também pode ser computada por um computador “universal” idealizado, chamado de máquina de Turing.
“Isso é uma afirmação falsificada sobre as leis da física”, afirma Aaronson. “Ela expressa a crença de que se as leis da física forem como um código de computador, então qualquer linguagem de programação para as leis da natureza poderia emular qualquer outra”.
Mas as ideias de Shor atestam que os computadores quânticos poderiam fazer coisas que uma máquina de Turing não conseguiria. Nesse caso, ou a computação quântica é impossível (o que não é muito provável, já que isso implicaria que a mecânica quântica está errada), ou a tese de Church-Turing está incorreta no que tange o mundo físico, a não ser que exista uma maneira de um computador comum simular a física quântica. “Ninguém provou isso, mas seria uma incrível descoberta matemática”, afirma Aaronson.
 
Raízes quânticas
 
Uma descoberta igualmente incrível seria identificar o princípio físico que exige que a realidade obedeça às regas da mecânica quântica. No começo, os pioneiros quânticos visualizaram a matemática que funciona – e que exige o estranho conceito de múltiplas realidades possíveis. Mas a questão do por quê uma matemática tão bizarra funcionava tão bem era deixada de lado.
Mas, nos últimos tempos, a aventura em busca de um princípio físico pelo qual a mecânica quântica funciona tem ganhado força, e a informação quântica tem sido o motor disso.

 

 

 


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