Teletransporte quântico mais perto? Cientistas resolvem problema que intrigava a física há 25 anos

Cientistas resolveram um desafio de mais de 25 anos envolvendo o emaranhamento quântico, fenômeno considerado essencial para tecnologias como teletransporte, comunicação e computação quânticas.

Pesquisadores das universidades de Kyoto e Hiroshima, no Japão, desenvolveram uma técnica capaz de identificar o chamado estado W, uma configuração complexa na qual vários fótons compartilham correlações quânticas.

O método foi testado experimentalmente em um sistema com três fótons e pode, em princípio, ser aplicado a conjuntos maiores. O estudo foi publicado na revista científica Science Advances.

A descoberta oferece uma alternativa para analisar sistemas quânticos complexos, cuja medição se torna cada vez mais difícil à medida que aumenta o número de fótons envolvidos.

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O que é o emaranhamento quântico?

O emaranhamento ocorre quando duas ou mais partículas apresentam propriedades conectadas de uma forma que não pode ser descrita considerando cada uma delas isoladamente. Dessa forma, o sistema precisa ser analisado como um conjunto.

Esse fenômeno é uma das bases de tecnologias quânticas em desenvolvimento, incluindo sistemas de comunicação, computação e transferência de informação.

Para que essas aplicações avancem, porém, não basta produzir partículas emaranhadas. Os pesquisadores também precisam identificar de maneira eficiente qual estado quântico foi criado. É justamente nesse ponto que surge um dos principais desafios.

Medir sistemas com muitos fótons é um desafio

Uma das técnicas utilizadas para determinar um estado quântico é a tomografia quântica. O método realiza diversas medições para reconstruir posteriormente as características do sistema. O problema é que a quantidade de dados necessária cresce rapidamente conforme novos fótons são adicionados.

As chamadas medições emaranhadas oferecem outra possibilidade. Elas permitem identificar diretamente determinados estados emaranhados, reduzindo a necessidade de reconstruí-los a partir de uma grande quantidade de medições.

Esse tipo de medição já havia sido realizado para o estado Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ), uma das principais formas de emaranhamento envolvendo múltiplas partículas. Faltava, porém, uma solução equivalente para o estado W, outra configuração importante de emaranhamento multifotônico.

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Cientistas encontraram solução para o estado W

Para superar o problema, os pesquisadores exploraram uma propriedade matemática do estado W conhecida como simetria de deslocamento cíclico. A partir dela, desenvolveram um método baseado em um circuito quântico fotônico capaz de realizar uma transformada quântica de Fourier.

Essa operação reorganiza a informação quântica de maneira que determinados padrões possam ser identificados. Em teoria, o método pode ser aplicado a estados W formados por qualquer quantidade de fótons.

Para demonstrar a ideia experimentalmente, a equipe construiu um dispositivo destinado a sistemas com três fótons. Os cientistas utilizaram circuitos quânticos ópticos de alta estabilidade e inseriram três fótons individuais com estados de polarização previamente definidos.

O equipamento conseguiu distinguir diferentes estados W de três fótons, cada um relacionado a uma correlação não clássica específica entre as partículas. Os pesquisadores também avaliaram a fidelidade da medição, indicador que mostra a probabilidade de o dispositivo fornecer o resultado correto quando recebe um estado W puro.

Avanço pode ajudar o teletransporte quântico

Uma das possíveis aplicações da técnica está no teletransporte quântico. Apesar do nome, esse processo não transporta fisicamente pessoas, objetos ou partículas de um lugar para outro. O que é transferido é a informação contida em um estado quântico, com auxílio do emaranhamento.

Dessa forma, a capacidade de realizar medições emaranhadas é importante para esse tipo de protocolo. Segundo os pesquisadores, o novo método também pode contribuir para protocolos de comunicação quântica, transferência de estados emaranhados com múltiplos fótons e novas formas de computação quântica baseada em medições.

Isso não significa, porém, que o experimento tenha realizado uma nova forma de teletransporte. O trabalho fornece uma ferramenta que poderá ser utilizada no desenvolvimento dessas tecnologias.

A demonstração experimental foi realizada com três fótons, mas os pesquisadores pretendem ampliar a técnica. O objetivo é aplicá-la a sistemas emaranhados maiores e mais gerais, com múltiplos fótons. A equipe também planeja desenvolver circuitos quânticos fotônicos integrados em chips capazes de executar essas medições.