Nanotecnologia

Dado quântico produz números verdadeiramente aleatórios

Dado quântico produz número verdadeiramente aleatórios
Com a ajuda da física quântica, o "dado quântico" gera números aleatórios que não podem ser previstos com antecedência.[Imagem: Max Planck Institute for the Physics of Light]

A deusa Matemática

Em princípio, todos os eventos, incluindo a queda de um dado, o resultado de um jogo de roleta ou o chute do Roberto Carlos, todos podem ser explicados em termos matemáticos.

Ou seja, aquilo a que chamamos de acaso é apenas uma questão de falta de conhecimento: se soubéssemos a localização, a velocidade e todas as outras características de todas as partículas no Universo, tudo com absoluta certeza, seríamos capazes de prever praticamente todos os processos que ocorrem no mundo.

Mas isto só vale no reino da física clássica, onde, por trás de cada coincidência, parece haver um "plano", uma interligação sutil de fenômenos que acaba naquilo que chama nossa atenção pela casualidade - e que, em última instância, pode ser descrito por uma equação matemática precisa, que revela o "plano" secreto.

Terra sem deuses

Tudo, porém, é diferente no reino da mecânica quântica.

Na demonstração mais cabal dessas diferenças, um grupo de cientistas do Instituto Max Planck, na Alemanha, usou a física quântica para construir um dispositivo que funciona sob o princípio de uma aleatoriedade verdadeira, totalmente imune a "planos", previsões ou fórmulas matemáticas descritivas.

Com a ajuda da física quântica, esse "dado quântico" gera números aleatórios que não podem ser previstos com antecedência.

Os pesquisadores exploraram o fato de que as medições baseadas na física quântica somente produzem um determinado resultado com um certo grau de probabilidade, isto é, de forma aleatória.

Números verdadeiramente aleatórios são necessários para a criptografia de dados e para permitir a simulação de processos econômicos e das mudanças no clima. Mas os geradores de números aleatórios usados hoje - programas de computador especialmente projetados para esse fim - estão longe de serem verdadeiramente aleatórios.

"Eles apenas simulam a aleatoriedade, mas com a ajuda de testes adequados e um volume suficiente de dados, pode-se identificar um padrão," explica Christoph Marquardt. Identificado o padrão, passa a ser possível prever o próximo número produzido pelo gerador desses números pseudoaleatórios.

A aleatoriedade verdadeira somente existe no mundo da mecânica quântica. Uma partícula quântica permanecerá em um lugar ou noutro, e se moverá a uma velocidade ou outra - mas apenas com um certo grau de probabilidade. "Nós exploramos essa aleatoriedade dos processos da mecânica quântica para gerar números aleatórios," diz Marquardt.

Dado quântico

Os cientistas usaram as flutuações do vácuo como um dado quântico.

Essas flutuações são na verdade outra característica do mundo quântico: é como se fosse impossível não existir alguma coisa lá. Mesmo na escuridão absoluta, está disponível a energia de meio fóton e, embora continue a ser invisível, ele deixa pistas que são detectáveis por medições suficientemente sofisticadas.

Estas pistas assumem a forma de um ruído quântico. Este ruído, completamente aleatório, só surge quando os físicos olham para ele, ou seja, quando eles tentam medi-lo.

Para tornar visível o ruído quântico, os cientistas recorreram mais uma vez ao "cinto de utilidades" da física quântica: eles dividiram um feixe de laser em partes iguais utilizando um divisor de feixe.

Dado quântico produz número verdadeiramente aleatórios
Para obter o número verdadeiramente aleatório os pesquisadores dividiram a curva em forma de sino em seções, com áreas de tamanho igual, e atribuíram um número a cada seção. [Imagem: Gabriel et al./Nature Photonics]

Um divisor de feixe tem duas portas de entrada e duas portas de saída. Os pesquisadores cobriram a segunda porta de entrada, impedindo a entrada da luz. Contudo, as flutuações do vácuo quântico ainda estavam lá, e tanto estavam que influenciaram a saída dos dois feixes parciais de laser.

A seguir, os físicos dirigiram os dois feixes para os detectores e mediram a intensidade do fluxo de fótons - cada fóton produz um elétron e a corrente elétrica resultante é registrada pelo detector.

Quando os cientistas subtraem a medição das duas curvas produzidas pelos dois detectores, eles não ficam com nada - o resultado seria zero, se estivessemos tratando com o mundo clássico.

Mas, no mundo quântico, resta o ruído quântico. "Durante a medição, a função de onda da mecânica quântica é convertida em um valor," explica Christian Gabriel, que realizou o experimento. "A estatística é pré-definida, mas a intensidade medida continua a ser uma questão de puro acaso."

Quando plotados em uma curva de Gauss, os valores mais fracos surgem com muita frequência, enquanto os mais fortes só ocorrem muito raramente. Para obter o número verdadeiramente aleatório os pesquisadores dividiram a curva em forma de sino em seções, com áreas de tamanho igual, e atribuíram um número a cada seção.

Gerador de números aleatórios

O experimento é promissor para usos práticos.

Combinações de números aleatórios são necessárias para criptografar dados durante as transferências bancárias. Números aleatórios também são usados para simular processos complexos, cujo resultado depende de probabilidades.

Por exemplo, os economistas usam as chamadas simulações de Monte Carlo para tentar prever o comportamento e a evolução dos mercados financeiros e os meteorologistas os utilizam para alimentar seus modelos do clima, inserindo variações aleatórias.

Embora o dado quântico seja baseado nos misteriosos fenômenos do mundo quântico, que são totalmente contra-intuitivos em relação à nossa experiência cotidiana, os físicos não usaram equipamentos muito sofisticados para observá-los.

Os elementos técnicos do seu gerador de números aleatórios podem ser encontrados na maioria dos laboratórios que estudam lasers. "Nós não precisamos nem de um laser particularmente bom e nem de detectores caros para o experimento," explica Christian Gabriel.

Esta é, sem dúvida, uma das razões pelas quais algumas empresas já manifestaram interesse em licenciar a tecnologia do dado quântico para uso comercial, que é mais simples do que outra proposta de gerador quântico de números aleatórios publicada há alguns meses.

Pesquisadores brasileiros também trabalha na área dos geradores aleatórios, já tendo demonstrado um sistema de criptografia caótica que pode ser útil na internet.

Bibliografia:

A generator for unique quantum random numbers based on vacuum states
Christian Gabriel, Christoffer Wittmann, Denis Sych, Ruifang Dong, Wolfgang Mauerer, Ulrik L. Andersen, Christoph Marquardt, Gerd Leuchs
Nature Photonics
29 August 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphoton.2010.197




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