Os futuros computadores quânticos podem depender da capacidade de conectar módulos amplamente separados por meio de emaranhamento distribuído. Até agora, fazer esse tipo de conexão normalmente exigia controle ativo e medições repetidas. Físicos do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) demonstraram agora uma alternativa completamente autônoma baseada em um “banho quântico” feito de partículas de luz correlacionadas.
publicado em revisão física xEste experimento fornece a primeira demonstração de uma previsão proposta há mais de 20 anos. Esta abordagem poderia, em última análise, fornecer uma nova base para tecnologias quânticas práticas.
Conectando bits quânticos distantes
O emaranhamento é um dos fenômenos definidores da física quântica. Isto permite que partículas ou sistemas compartilhem correlações que não podem ser explicadas pela física clássica. A criação de emaranhamento distribuído entre qubits separados fisicamente (bits quânticos) pode ser a chave para a construção de grandes computadores quânticos e futuras redes quânticas.
Tentativas anteriores de desembaraçar órbitas distantes geralmente seguiram uma de duas estratégias. Um método envia um único fóton controlado ativamente de um qubit para outro. No segundo, cada qubit emite um fóton, após o qual os dois fótons são combinados na tentativa de produzir emaranhamento.
Outros pontos de vista reconhecidos Prêmio Nobel de Física de 2022. Porém, ainda depende de medições repetidas e posterior seleção e, mesmo assim, o processo nem sempre gera emaranhados com sucesso.
Alejandro Andres-Juens e o professor Johannes Fink, estudante de doutorado no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), trabalharam com colegas internacionais para desenvolver uma solução diferente. Seu sistema usa um banho quântico que sincroniza automaticamente qubits distantes. Num dispositivo protótipo, os investigadores usaram uma fonte partilhada de partículas de luz correlacionadas para entrelaçar dois qubits separados, concretizando experimentalmente uma ideia que permaneceu teórica durante mais de duas décadas.
Emaranhamento Quântico Totalmente Autônomo
O emaranhamento quântico pode assumir muitas formas. Estados emaranhados de variável contínua podem ser gerados de forma eficiente e, portanto, são relativamente acessíveis. Estes podem ser comparados a um pêndulo, cuja posição e velocidade mudam constantemente.
No entanto, muitas tecnologias quânticas úteis dependem de sistemas de “variáveis discretas”. Isso inclui os tipos de emaranhamento “tudo ou nada” que os qubits estáveis podem usar. O desafio para a equipe do ISTA era encontrar uma maneira de conectar essas formas contínuas de emaranhamento prontamente disponíveis às formas discretas necessárias para aplicações práticas.
“Neste trabalho, pretendemos abordar esta incompatibilidade entre formas de emaranhamento prontamente disponíveis e práticas úteis”, diz Andrés-Juanes. “Ao estabilizar remotamente situações emaranhadas, nossa abordagem é completamente autônoma e não requer controles ou medições ativas.”
Um banho quântico alimentado por luz correlacionada
Manter o emaranhamento e a coerência quântica é uma das principais dificuldades enfrentadas pela computação quântica.
Os pesquisadores resolveram esse problema tornando o ambiente ao redor do qubit responsável pela criação e estabilização do emaranhamento.
“No nosso método, o banho quântico – ou seja, o ambiente dos qubits – é a fonte do emaranhamento. Ele cria um novo estado fundamental através de um fluxo contínuo de fótons correlacionados”, diz Fink. “Desta forma, o estado emaranhado do qubit torna-se estável, mesmo além da ‘vida útil’ do próprio qubit, e está sempre disponível como um recurso para processamento quântico adicional. Isso torna a abordagem conceitualmente importante.”
Como o estado emaranhado permanece disponível, os pesquisadores podem acessá-lo sempre que necessário. Isso difere do emaranhamento temporário, que deve ser utilizado durante o breve período em que estiver presente.
Fótons de microondas mantêm qubits conectados
Para ligar os qubits à fonte de fótons emaranhados, os pesquisadores confiaram em fótons de micro-ondas. Essas partículas de luz de baixa energia são particularmente úteis para manipular informações quânticas e já estão no centro da tecnologia pioneira de qubits supercondutores.
Os fótons ópticos desempenham um papel diferente e são comumente usados em óptica e física nuclear. Eles também podem ser importantes para transportar informações quânticas entre computadores quânticos distantes através de fibra óptica, uma área que o grupo Fink da ISTA também está investigando.
Medindo estados quânticos ocultos
Os pesquisadores precisavam confirmar se ambos os qubits estavam de fato sincronizados dentro do banho quântico. Para fazer isso, eles usaram a tomografia quântica, uma técnica que reconstrói o comportamento de um sistema quântico examinando muitas “fatias” diferentes dele.
“Os Qubits podem estar numa superposição de estados, mas quando os medimos todos estes estados entram em colapso, deixando-nos com um estado 0 ou 1”, diz Andrés-Juanes.
A tomografia quântica permitiu aos pesquisadores fazer medições com duração de apenas 20 a 80 nanossegundos e usar essas observações para investigar as condições subjacentes do qubit. Um nanossegundo é um bilionésimo de segundo.
A previsão de 20 anos se torna um experimento
Ao emaranhar com sucesso dois qubits separados através de um banho quântico, os pesquisadores da ISTA criaram um protótipo de laboratório de prova de conceito para uma proposta teórica de longa data.
“Apresentamos um método relativamente simples que pode ser estendido para sincronizar muitas órbitas distantes”, diz Andrés-Juanes.
A nova abordagem é promissora, mas ainda não é tão eficiente quanto os métodos que controlam ativamente as posições dos qubits. “Nosso método atualmente transfere cerca de 10% do emaranhado disponível no banho.”
Os investigadores sugerem que uma das razões pelas quais demorou mais de duas décadas para demonstrar esta ideia é que a teoria original foi desenvolvida em condições ideais, que são difíceis de reproduzir experimentalmente.
“Nossos experimentos nos ajudaram a descobrir vários fatores que podem ter impedido os cientistas de projetar um banho quântico funcional usando uma única fonte de fótons correlacionados para emaranhamento distribuído”, diz Fink.
O protótipo desenvolvido no ISTA poderá fornecer novas oportunidades para experimentos de óptica quântica. Também poderia contribuir para os esforços para expandir os processadores quânticos e, eventualmente, aproximá-los da operação tolerante a falhas.
