Pesquisa teórica estabelece forma unificada de quantificar propriedades quânticas vitais

A base de quase todas as aplicações de informação quântica — como computação e comunicação — depende das propriedades quânticas de superposição e emaranhamento.

Em computadores quânticos — que prometem realizar cálculos complexos que os computadores clássicos de hoje não conseguem lidar — superposição e emaranhamento andam de mãos dadas. Enquanto a superposição permite que um sistema físico — como uma partícula — esteja em vários estados simultaneamente, o emaranhamento liga partículas, permitindo que elas formem um estado inseparável, mesmo quando estão separadas por uma grande distância.

“Elas são as propriedades fundamentais da mecânica quântica, as propriedades determinantes para muitas aplicações”, disse Wenchao Ge, professor assistente de física na Universidade de Rhode Island, cuja pesquisa teórica explora questões fundamentais na mecânica quântica. “Sem superposição e emaranhamento, nenhuma aplicação aprimorada por quantum existiria.”

Em pesquisas teóricas recentes, Ge e os colaboradores Jiru Liu e M. Suhail Zubairy, membros do Instituto de Ciência e Engenharia Quântica da Universidade Texas A&M, exploraram a relação entre os dois recursos fundamentais da física quântica.

Eles estabeleceram uma única maneira de quantificar as duas propriedades, definindo uma descrição matemática de cada uma. Seu artigo, “Polaridade Clássica-Não Clássica de Estados Gaussianos”, foi publicado em Cartas de revisão física.

“É uma prova teórica de que as duas propriedades — superposição e emaranhamento — podem ser trocadas quantitativamente”, disse Ge. “Nosso trabalho descobre uma importante relação quantitativa entre esses dois efeitos quânticos fundamentais para uma grande classe de estados quânticos. Este trabalho abre uma nova direção de pesquisa na quantificação desses recursos para processamento de informações quânticas.”

A capacidade de quantificar as propriedades permite a conversão desses dois recursos de um estado para o outro. “Às vezes, na mecânica quântica, um recurso pode ser difícil de preparar”, disse Ge. “Se você pudesse ter o outro tipo de recurso, você poderia converter entre esses recursos.”

No campo da mecânica quântica, tem havido interesse em entender e aplicar recursos não clássicos — recursos que não têm uma contraparte clássica, como uma partícula em um estado com probabilidade negativa. Mas a pesquisa não conseguiu chegar a uma avaliação unificada satisfatória de ambas as propriedades, disse Ge.

Os pesquisadores queriam explorar a relação interna entre as duas propriedades quânticas, que determinam muitas aplicações quânticas de alto nível, como computação, comunicação e sensoriamento. Para isso, eles observaram estados gaussianos, uma grande classe de estados na mecânica quântica conhecida por sua facilidade de reprodução e manipulação durante experimentos de informação quântica.

Estudos anteriores analisaram relações quantitativas das duas propriedades para estados gaussianos de dois modos ou três modos (duas ou três partículas). A equipe avançou a pesquisa, propondo uma única medida para superposição quântica em sistemas de uma partícula e emaranhamento entre múltiplas partículas (modos de duas ou três partículas).

A nova medida, “polaridade clássica-não clássica”, demonstrou unificar os dois efeitos quantitativamente para uma grande classe de estados gaussianos, disse Ge.

Ge disse que o trabalho pode formar uma base para explorar outras propriedades quânticas para aplicações de informação, como detecção e computação quântica.

“Este é o primeiro passo para encontrar uma relação quantitativa entre essas duas propriedades”, disse Ge. “Para estados gaussianos, só provamos essa relação até três modos. Pode ser útil estudar quatro, cinco ou até mais bipartidos. Conjecturamos tal relação quantitativa mesmo além dos estados gaussianos.

“Para a pesquisa em física, queremos ver quais são as propriedades, quais são os princípios fundamentais”, ele acrescentou. “Se descobrirmos um princípio fundamental, pode haver aplicações de longo alcance.”