.
Pesquisadores da Universidade de Stuttgart demonstraram que um ingrediente chave para muitos esquemas de computação e comunicação quântica pode ser executado com uma eficiência que excede o limite teórico superior comumente assumido – abrindo assim novas perspectivas para uma ampla gama de tecnologias quânticas fotônicas.
A ciência quântica não só revolucionou a nossa compreensão da natureza, mas também está inspirando novos dispositivos inovadores de computação, comunicação e sensores. Explorar os efeitos quânticos em tais “tecnologias quânticas” normalmente requer uma combinação de conhecimento profundo dos princípios físicos quânticos subjacentes, avanços metodológicos sistemáticos e engenharia inteligente. E é precisamente esta combinação que as pesquisas do grupo da Prof. Stefanie Barz da Universidade de Stuttgart e do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica Integrada (IQST) entregaram em estudo recente, no qual melhoraram a eficiência de um edifício essencial. bloco de muitos dispositivos quânticos além de um limite aparentemente inerente.
Da filosofia à tecnologia
Um dos protagonistas no campo das tecnologias quânticas é uma propriedade conhecida como emaranhamento quântico. O primeiro passo no desenvolvimento deste conceito envolveu um debate apaixonado entre Albert Einstein e Niels Bohr. Em suma, o argumento deles era sobre como a informação pode ser compartilhada entre vários sistemas quânticos. É importante ressaltar que isso pode acontecer de maneiras que não têm analogia na física clássica. A discussão iniciada por Einstein e Bohr permaneceu em grande parte filosófica até a década de 1960, quando o físico John Stewart Bell desenvolveu uma maneira de resolver experimentalmente o desacordo. A estrutura de Bell foi explorada pela primeira vez em experimentos com fótons, os quanta de luz. Três pioneiros neste campo – Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger – receberam conjuntamente o Prémio Nobel da Física do ano passado pelos seus trabalhos inovadores em tecnologias quânticas.
O próprio Bell morreu em 1990, mas seu nome foi imortalizado principalmente nos chamados estados de Bell. Estes descrevem os estados quânticos de duas partículas que estão tão fortemente emaranhadas quanto possível. Existem quatro estados de Bell ao todo, e as medições dos estados de Bell – que determinam em qual dos quatro estados um sistema quântico se encontra – são uma ferramenta essencial para colocar o emaranhado quântico em uso prático. Talvez o mais famoso seja o fato de que as medições do estado de Bell são o componente central do teletransporte quântico, o que, por sua vez, torna possível a maior parte da comunicação e da computação quântica.
Mas há um problema: quando as experiências são realizadas utilizando elementos ópticos convencionais, tais como espelhos, divisores de feixe e placas de onda, então dois dos quatro estados de Bell têm assinaturas experimentais idênticas e são, portanto, indistinguíveis um do outro. Isto significa que a probabilidade global de sucesso (e, portanto, a taxa de sucesso de, digamos, uma experiência de teletransporte quântico) é inerentemente limitada a 50 por cento se apenas esses componentes ópticos “lineares” forem utilizados. Ou é?
Com todos os sinos e assobios
É aqui que entra o trabalho do grupo Barz. Como relataram recentemente na revista Avanços da Ciência, os pesquisadores de doutorado Matthias Bayerbach e Simone D’Aurelio realizaram medições do estado de Bell nas quais alcançaram uma taxa de sucesso de 57,9 por cento. Mas como alcançaram uma eficiência que deveria ser inatingível com as ferramentas disponíveis?
Seu excelente resultado foi possível usando dois fótons adicionais em conjunto com o par de fótons emaranhado. Sabe-se, em teoria, que esses fótons “auxiliares” oferecem uma maneira de realizar medições do estado de Bell com uma eficiência superior a 50%. No entanto, a realização experimental permaneceu indefinida. Uma razão para isso é que são necessários detectores sofisticados que resolvam o número de fótons que incidem sobre eles. Bayerbach e D’Aurelio superaram esse desafio usando 48 detectores de fóton único operando em sincronia quase perfeita para detectar os estados precisos de até quatro fótons que chegam ao conjunto de detectores. Com esta capacidade, a equipa foi capaz de detectar distribuições distintas de números de fotões para cada estado de Bell – embora com alguma sobreposição para os dois estados originalmente indistinguíveis, razão pela qual a eficiência não poderia exceder 62,5 por cento, mesmo em teoria. Mas a barreira dos 50% foi quebrada. Além disso, a probabilidade de sucesso pode, em princípio, ser arbitrariamente próxima de 100 por cento, ao custo de ter que adicionar um número maior de fótons auxiliares.
Perspectivas brilhantes
Além disso, a experiência mais sofisticada é infestada de imperfeições, e esta realidade tem de ser tida em conta ao analisar os dados e prever como a técnica funcionaria para sistemas maiores. Os pesquisadores de Stuttgart, portanto, se uniram ao Prof. Peter van Loock, um teórico da Universidade Johannes Gutenberg em Mainz e um dos arquitetos do esquema de medição do estado de Bell assistido por ancilla. Van Loock e Barz são membros da colaboração PhotonQ financiada pelo BMBF, que reúne parceiros acadêmicos e industriais de toda a Alemanha que trabalham para a realização de um tipo específico de computador quântico fotônico. O esquema melhorado de medição do estado de Bell é agora um dos primeiros frutos deste esforço colaborativo.
Embora o aumento na eficiência de 50 para 57,9 por cento possa parecer modesto, proporciona uma enorme vantagem em cenários onde é necessário fazer uma série de medições sequenciais, por exemplo, na comunicação quântica de longa distância. Para tal aumento de escala, é essencial que a plataforma óptica linear tenha uma complexidade instrumental relativamente baixa em comparação com outras abordagens.
Métodos como os agora estabelecidos pelo grupo Barz ampliam nosso conjunto de ferramentas para fazer bom uso do emaranhamento quântico na prática – oportunidades que estão sendo exploradas extensivamente na comunidade quântica local em Stuttgart e em Baden-Württemberg, sob a égide de iniciativas como o parceria de pesquisa de longa data IQST e a rede recentemente inaugurada QuantumBW.
O trabalho foi apoiado pela Fundação Carl Zeiss, pelo Centro de Ciência e Tecnologia Quântica Integrada (IQST), a Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), o Ministério Federal de Educação e Pesquisa (BMBF, projetos SiSiQ e PhotonQ) e o Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Ação Climática (BMWK, projeto PlanQK).
.
