O emaranhamento quântico representa uma das diferenças mais estranhas entre a física cotidiana e o mundo quântico. Num sistema emaranhado, partículas como os fotões estão tão profundamente acopladas que as suas propriedades não podem ser totalmente descritas de forma independente. Em vez disso, o sistema deve ser considerado como um todo.
Esta ideia entra em conflito com a expectativa clássica de que cada partícula deveria ter a sua própria realidade física separada, uma característica da mecânica quântica que perturbou Albert Einstein. No entanto, o emaranhamento é agora considerado um dos ingredientes essenciais para as tecnologias quânticas emergentes, incluindo comunicações avançadas, computação e transferência de informação.
O desafio de medir o emaranhamento quântico
A construção dessas tecnologias exigirá que os cientistas não apenas criem estados emaranhados de múltiplos fótons, mas também determinem com eficiência que tipos de estados emaranhados eles criaram.
é uma abordagem padrão tomografia quânticaUma técnica usada para reconstruir e estimar um estado quântico fazendo múltiplas medições. A dificuldade é que à medida que mais fótons são adicionados, a quantidade de dados necessários cresce exponencialmente. Portanto, um sistema que tenha apenas um ligeiro aumento no número de fótons pode exigir muito mais medições.
Um medição emaranhada Potencialmente oferece uma alternativa muito mais eficiente. Em vez de reunir uma grande coleção de medições e reconstruir o estado posteriormente, esse tipo de medição pode identificar um estado emaranhado usando uma abordagem única.
Os cientistas já haviam concluído tal medição para Greenberger-Horn-Zeilinger — giga – estado, uma das formas mais famosas de emaranhamento multifótons. Mas nenhum método comparável foi proposto ou demonstrado experimentalmente para qual estadoOutro tipo importante de estado multifóton emaranhado.
Pesquisadores da Universidade de Kyoto e da Universidade de Hiroshima decidiram descobrir esse potencial que faltava. O trabalho deles resultou em um novo método para fazer medições de emaranhamento que pode identificar o estado W.
O autor correspondente, Shigeki Takeuchi, diz: “Mais de 25 anos após a proposta inicial relativa às medições de emaranhamento para estados de GHz, finalmente obtivemos medições de emaranhamento também para o estado W, com demonstração experimental real para estados W de 3 fótons.”
Usando simetria para identificar o estado W
Os pesquisadores construíram sua abordagem em torno de uma propriedade matemática do estado W, chamada Simetria de mudança cíclica. Em termos simples, o arranjo dos fótons pode ser alterado em um ciclo repetitivo, preservando um importante padrão subjacente.
Usando essa simetria, a equipe desenvolveu teoricamente uma medição de emaranhamento baseada em um circuito quântico fotônico. O circuito executa um quantum Transformada de FourierUma operação matemática que pode reorganizar as informações quânticas de uma forma que dificulta a detecção de padrões. O método proposto pode, em princípio, ser aplicado a estados W contendo qualquer número de fótons.
Os pesquisadores então construíram um dispositivo para testar a ideia com três fótons. Eles usaram circuitos quânticos ópticos de alta estabilidade que podem continuar a operar por longos períodos de tempo sem a necessidade de controle ativo.
Ao enviar três fótons diferentes para o dispositivo com estados de polarização cuidadosamente selecionados, os pesquisadores mostraram que o sistema poderia distinguir entre diferentes tipos de estados W de três fótons. Cada um desses estados representa uma correlação não clássica particular compartilhada pelos três fótons recebidos.
A equipe também mediu a precisão da medição do emaranhamento. A fidelidade indica a confiabilidade com que um sistema quântico executa a função pretendida. Neste caso, corresponde à probabilidade de o dispositivo retornar o resultado correto dada uma entrada de estado W puro.
Um novo dispositivo para teletransporte quântico
Este progresso pode ter implicações para muitas áreas da tecnologia quântica.
há alguém teletransporte quânticoUm processo que transfere informações quânticas de um lugar para outro. Apesar do nome, o teletransporte quântico não transporta matéria fisicamente. Em vez disso, utiliza o emaranhamento para mover o estado quântico que contém a informação.
A nova abordagem de medição também pode contribuir para novos protocolos de comunicação quântica, métodos para transferência de estados emaranhados quânticos multifótons e novas formas de computação quântica baseada em medição.
“Para acelerar a investigação e o desenvolvimento de tecnologias quânticas, é importante aprofundar a nossa compreensão dos conceitos básicos para chegar a ideias inovadoras”, diz Takeuchi.
Estendendo a tecnologia para sistemas quânticos maiores
Os investigadores planeiam agora estender a sua abordagem para além de uma demonstração de três fotões.
Seu objetivo de longo prazo é aplicar este método em maior escala a situações mais gerais de emaranhamento quântico multifótons. A equipe também pretende desenvolver circuitos quânticos fotônicos no chip capazes de realizar medições complexas, potencialmente tornando a tecnologia mais compacta e mais fácil de integrar em futuros sistemas quânticos.
