Teletransporte quântico entre átomos é demonstrado pela primeira vez

Agência Fapesp - 26/01/2009

Cientistas conseguem pela primeira vez teletransportar informação entre dois átomos isolados em compartimentos a 1 metro de distância.[Imagem: Olmschenck et al.]

Pela primeira vez, cientistas conseguiram teletransportar informação entre dois átomos isolados em compartimentos e distantes 1 metro um do outro. Trata-se de uma conquista importante na busca por um computador quântico.

Teletransporte de informações

O teletransporte de informação não deve ser confundido com o de pessoas, visto em filmes de ficção como a série Jornada nas Estrelas. Mas nem por isso deixa de ser algo inusitado, talvez a mais misteriosa forma de transporte possível na natureza.

No teletransporte quântico, a informação (como o spin de uma partícula ou a polarização de um fóton) é transferida de um local a outro sem que ocorra o deslocamento por um meio físico. Não há transferência de energia nem de matéria.

Teletransporte entre átomos

Estudos anteriores conseguiram realizar o teletransporte entre fótons por longas distâncias, entre fótons e grupos de átomos e entre dois átomos próximos por meio da ação de um intermediário. Mas nenhum desses casos ofereceu uma maneira viável de manter e controlar a informação quântica por longas distâncias.

Agora, o grupo do Joint Quantum Institute, das universidades de Maryland e Michigan, nos Estados Unidos, obteve sucesso no teletransporte de um estado quântico diretamente de um átomo para outro por uma distância expressiva para esse tipo de estudo.

Na edição da última sexta-feira (23/1) da revista Science, os pesquisadores descrevem um teletransporte com 90% de eficiência na recuperação da informação original.

Computador quântico

"O sistema tem o potencial para formar a base de um 'repetidor quântico' em grande escala capaz de funcionar como uma rede para memórias quânticas em grandes distâncias. Os métodos que desenvolvemos poderão ser usados conjuntamente com operações de bit quânticos para criar um componente central necessário para a computação quântica", afirmou Christopher Monroe, um dos autores do estudo.

Os cientistas estimam que o computador quântico será capaz de realizar tarefas complexas como cálculos relacionados a criptografia ou buscas em gigantescas bases de dados muito mais rapidamente do que as máquinas atuais.

Para saber mais sobre as implicações do teletransporte quântico sobre os computadores quânticos, veja Construir computadores quânticos pode ser mais fácil do que se previa.

Entrelaçamento

A base de funcionamento do teletransporte quântico é um fenômeno conhecido como entrelaçamento (ou emaranhamento), que ocorre somente em escala atômica ou subatômica. Quando dois objetos são colocados em um estado entrelaçado, suas propriedades se tornam inextricavelmente ligadas.

Embora essas propriedades sejam desconhecidas até que possam ser avaliadas, o simples ato de medir qualquer um dos objetos determina instantaneamente as características do outro, não importando a distância em que estejam separados.

No novo estudo, os pesquisadores entrelaçaram os estados quânticos de dois íons de itérbio (elemento químico da família dos lantanídeos) de modo que a informação contida na condição de um pudesse ser transferida para o outro.

Bits quânticos, ou qubits

Cada íon foi isolado em um invólucro no vácuo, suspenso em uma gaiola invisível formada por campos eletromagnéticos e envolta por eletrodos. Os cientistas identificaram dois estados discerníveis, de menor energia, dos íons, que serviriam como valores alternativos de um bit quântico (ou qubit).

Bits (dígitos binários) eletrônicos convencionais, como os de um computador pessoal, estão sempre em um de dois estados: ligado ou desligado, ou 0 ou 1. Os bits quânticos, entretanto, podem estar em alguma combinação (superposição) dos dois estados ao mesmo tempo - como uma moeda que ficasse simultaneamente tanto na cara como na coroa. E é justamente esse fenômeno inusitado que dá à computação quântica seu enorme potencial.

Cada íon foi inicializado em um estado básico. Em seguida, o primeiro (íon A) foi irradiado por uma emissão específica de micro-ondas de um dos eletrodos, ficando em uma superposição de estados, como se escrevesse em sua memória a informação a ser teletransportada.

Imediatamente, os dois íons foram excitados durante um trilionésimo de segundo por um laser. A duração do pulso foi tão pequena que cada íon emitiu apenas um único fóton à medida que recebeu a energia do laser e retornou a um dos estados quânticos iniciais.

Emissão de fótons superpostos

Dependendo do estado, cada íon emitiu um fóton cuja cor (azul ou vermelha) estava perfeitamente relacionada com o estado quântico. É justamente esse entrelaçamento entre cada bit quântico e seu fóton correspondente que permite que os átomos se entrelacem.

Os fótons emitidos foram capturados por lentes, encaminhados a fibras ópticas separadas e levados para lados opostos de um separador de saída da luz, no qual podiam passar diretamente ou ser refletidos. Nos lados do separador estavam posicionados detectores para registrar a chegada dos fótons.

Antes de alcançar o separador, cada fóton estava em uma superposição de estados. Depois, quatro combinações de cores se tornaram possível: azul-azul, vermelho-vermelho, azul-vermelho ou vermelho-azul. Na maior parte desses estados, cada fóton cancelou o outro de um lado do separador e ambos terminaram no mesmo detector do outro lado.

Leis da mecânica quântica

Houve uma combinação, contudo, na qual os dois detectores registram o fóton exatamente no mesmo instante. Mas é fisicamente impossível determinar qual íon produz cada fóton, ou seja, qual foi a combinação, porque não dá para saber se o fóton que chega ao detector passou pelo separador de luz ou foi refletido por ele.

Graças às leis peculiares da mecânica quântica, essa incerteza inerente projeta os íons em um estado de entrelaçamento. Ou seja, cada um deles fica em uma superposição dos dois possíveis estados. Como a detecção simultânea de fótons pelos detectores não ocorre com freqüencia, o estímulo do laser e o processo de emissão do fóton precisam ser repetidos milhares de vezes por segundo. Mas quando um fóton aparece em cada detector, é um sinal inconfundível do entrelaçamento entre os íons.

Quando uma condição de entrelaçamento foi identificada, os cientistas imediatamente mediram o íon A. O ato de medir fez com que ele saísse da superposição e assumisse uma condição definitiva, isto é, um dos dois estados do bit quântico. Mas como o estado do íon A estava irreversivelmente ligado ao do íon B, a medição do A também fez com que o B assumisse o estado complementar.

Dependendo de qual estado o íon A terminou, os cientistas conseguiram saber precisamente que tipo de pulso de micro-ondas devia ser aplicado ao íon B de modo que ele recuperasse a informação exata que foi armazenada originalmente no primeiro íon. Era o exato teletransporte da informação.

Chegando sem ter viajado

O que distingue esse resultado como teletransporte, e não como outra forma qualquer de comunicação, é que nenhuma informação contida na memória original realmente passou entre os íons. Em vez disso, a informação desapareceu quando o íon A foi medido e reapareceu quando o pulso de micro-ondas foi aplicado no íon B.

"Um aspecto particularmente atraente de nosso método é que ele combina as vantagens únicas tanto dos fótons como dos átomos. Fótons são ideais para transferir informação por longas distâncias, enquanto que átomos oferecem um meio vantajoso para a memória quântica de longa duração", disse Monroe.

"A combinação representa uma arquitetura promissora para um 'repetidor quântico' que permitirá com que informação quântica seja transferida em distâncias muito maiores do que seria possível apenas com fótons. Além disso, esse teletransporte de informação poderá constituir a base de uma internet quântica, capaz de superar em muito qualquer outro tipo de rede", destacou.

Para conhecer avanços anteriores na área do teletransporte, veja Computação Quântica: agora a informação foi da luz para a matéria e Teleclonagem une clonagem quântica com teletransporte.

Bibliografia:
Quantum teleportation between distant matter qubits
S. Olmschenk, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hayes, L.-M. Duan, C. Monroe1
Science
23 January 2009

 

Computação Quântica: agora a informação foi da luz para a matéria

No mundo macroscópico, copiar dados de um local para outro é algo trivial. É isto o que todo usuário de computador faz ao transferir arquivos de sua máquina para um servidor da rede da empresa ou baixar um arquivo da Internet.

No mundo microscópico, entretanto, aquele que interessa para a computação quântica, a coisa não é tão simples. Informação quântica não pode ser copiada, ela somente pode ser transferida de um local para outro, sem deixar qualquer traço na origem. Ou seja, na computação quântica, a única operação possível é a de mover os dados.

A manipulação e transferência de informação quântica é uma das áreas mais ativas na pesquisa avançada para a computação do futuro, reunindo profissionais de Informática e Física na busca de novos protocolos e algoritmos que possam viabilizar a computação quântica, que se espera seja a arquitetura dos computadores do futuro.

Agora pesquisadores do Instituto Max Planck de Ótica Quântica, Alemanha, e Instituto Niels Bohr, Dinamarca, conseguiram construir um dispositivo que é capaz de transferir o estado quântico de um pulso de luz para um conjunto de átomos.

É mais ou menos o caminho inverso do que pesquisadores norte-americanos conseguiram recentemente, quando eles transferiram informação da matéria para a luz. Aqui os cientistas transferiram informação da luz para a matéria.

Na experiência, um pulso de luz é preparado em um determinado estado quântico com uma polarização escolhida aleatoriamente. Esse pulso de luz é enviado através de um conjunto de átomos de césio contidos no interior de uma célula atômica, um aparelho composto por dois campos magnéticos fortes o suficientes para manter os átomos presos.

Na célula atômica, a luz e os átomos interagem, criando um estado entrelaçado no qual os dois sistemas - átomos e fótons - permanecem correlacionados. Devido a essa estreita ligação entre os dois, um processo de medição na luz afeta o estado quântico dos átomos de césio de tal forma que eles assumem as propriedades originais da luz.

Assim, o estado de polarização dos fótons é transferido para o estado de polarização dos átomos. Essa "ação à distância", através da qual uma medição em um sistema afeta o estado de outro sistema que está em um local diferente, é uma das mais intrigantes manifestações da Mecânica Quântica e é a base de aplicações como a criptografia quântica e o teletransporte.

Antes de pensarem em uma aplicação prática, entretanto, os cientistas deverão conseguir fazer com que o efeito se verifique em cem por cento dos casos. Até agora, o equipamento que eles construíram consegue um acerto de 70%, o que não é suficiente para um sistema de computação que não deve estar sujeitos a erros.

O trabalho foi publicado no último exemplar da revista Nature, assinado pelos cientistas B. Julsgaard, J. Sherson, J.I. Cirac, J. Fiurásek e E.S. Polzik.

 

Cientistas transferem informação da matéria para a luz

Um grupo de cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia, Estados Unidos, acaba de dar um passo importante na busca do desenvolvimento de sistemas de computação quântica ao conseguir transferir informação de dois diferentes grupos de átomos para um único fóton, o elemento básico da luz. É a primeira vez que se consegue transmitir informação da matéria para a luz.

A pesquisa, publicada no último exemplar da revista Science, representa a "pedra fundamental" que poderá levar ao desenvolvimento de redes quânticas de grande escala. O trabalho se baseia em uma proposta feita em 2001 por pesquisadores da Universidade de Innsbruck, Áustria (Duan, Lukin, Cirac and Zoller).

Os pesquisadores Alex Kuzmich e Dzmitry Matsukevich relataram a transferência de informações de estado atômico a partir de duas diferentes nuvens de átomos de rubídio para um único fóton. No fóton, a informação sobre os estados espaciais das nuvens de átomos foi representada como uma polarização ótica vertical ou horizontal.

"Uma questão realmente importante nos sistemas de informação quânticos atuais refere-se às redes quânticas distribuídas e, para obtê-las, você precisa converter bits quânticos de informação baseados na matéria em fótons", disse Kuzmich. "Esse é o primeiro passo, o primeiro "tijolo", e agora precisamos criar o segundo nó da rede e conectá-los."

Qubits, ou bits quânticos, são muito diferentes dos bits digitais da computação convencional. Ao contrário dos bits convencionais, que podem existir ou no estado 0 ou no estado 1, os qubits podem existir simultaneamente nos dois estados. Os bits quânticos também podem interagir com outros qubits, uma propriedade chamada entrelaçamento, de maneiras absolutamente singulares.

O enfoque adotado por Kuzmich e Matsukevich utiliza duas nuvens de átomos de rubídio, cada nuvem em um estado diferente, formando um qubit material. Passando um feixe de luz através de cada nuvem, uma operação também conhecida como "reagrupamento", eles foram capazes de criar um qubit que ficou entrelaçado com um único fóton.

"O estado do qubit é um estado coletivo do reagrupamento atômico", explica Kuzmich. "A conversão da matéria para a luz mostra-se eficiente numa direção porque a emissão de todos os átomos se junta para criar um direcionamento preferencial à frente, similar à forma como as antenas de rádio são capazes de emitir direcionalmente."

O trabalho tem imenso interesse científico e aponta no sentido de aplicações práticas no futuro. Mas muitos progressos ainda terão que ser feitos. Por exemplo, Os físicos utilizaram luz com um comprimento de onda de 780 nanômetros, enquanto que a transmissão convencional em redes de fibras óticas utiliza comprimentos de onda de 1.550 nanômetros. Kuzmich estima que uma aplicação prática ainda demorará cerca de dez anos.

 

Paradoxo quântico é observado diretamente pela primeira vez

Institute of Physics - 27/03/2009

Ciência e filosofia

Na mecânica quântica, um campo na vanguarda da física onde a ciência muitas vezes se funde com a filosofia, grande parte do nosso conhecimento é baseado em suposições e probabilidades.

Mas um grupo de pesquisadores no Japão acaba de levar um dos paradoxos fundamentais da mecânica quântica - uma questão até agora meramente teórica - para o laboratório, para o âmbito da experimentação, e observar diretamente algumas das mais "assombrosas questões da mecânica quântica."

Paradoxo de Hardy

O paradoxo de Hardy, o axioma segundo o qual não podemos fazer inferências sobre os acontecimentos passados que não tenham sido observados diretamente, ao mesmo tempo reconhecendo que o próprio ato da observação afeta a realidade que procuramos desvendar, coloca um dilema que os físicos quânticos têm procurado superar há décadas.

Como você pode observar a mecânica quântica, sistemas atômicos e subatômicos que ocorrem em escala tão pequena que não podem ser descritos em termos clássicos, se o próprio ato de olhar para eles pode mudá-los permanentemente?

Em um artigo publicado na revista New Journal of Physics, pesquisadores da Universidade Osaka, no Japão, explicam como eles usaram uma medida técnica que tem um impacto quase imperceptível sobre o experimento que lhes permitiu compilar objetivamente resultados prováveis em escala subatômica.

Experimento de Lucien Hardy

O experimento, baseado na experiência do pensamento de Lucien Hardy, que utilizou interferômetros - instrumentos que podem ser utilizados para entrelaçar os fótons - para seguir as rotas de dois fótons, deveria apresentar resultados contraditórios que não se conformam com o nosso entendimento clássico da realidade. Embora o Paradoxo de Hardy raramente seja refutado, até recentemente ele era apenas um experimento mental.

Usando um par de fótons entrelaçados e um original, mas complexo, método de medição fraca, que não interfere com o caminho dos fótons, os pesquisadores deram um passo significativo rumo ao domínio da realidade da mecânica quântica.

Segundo o artigo, "Ao contrário do argumento original de Hardy, a nossa demonstração revela o paradoxo pela observação, em vez de por inferência. Nós acreditamos que a demonstração da medição fraca é útil não só para a exploração dos fundamentos da física quântica, mas também para diversas aplicações, tais como metrologia quântica e tecnologias quânticas da informação."

Bibliografia:
Direct observation of Hardy s paradox by joint weak measurement with an entangled photon pair
Kazuhiro Yokota, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Nobuyuki Imoto
New Journal of Physics
March 2009

 

Processador fotônico quântico faz seus primeiros cálculos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2009

Este é o primeiro chip quântico fotônico a efetuar cálculos reais.[Imagem: Science]

Um processador quântico que funciona utilizando partículas individuais de luz, os fótons, no interior de um chip de silício, acaba de fazer os seus primeiros cálculos na Universidade de Bristol, no Reino Unido.

Esta é a primeira vez que cálculos reais são feitos em um processador quântico fotônico e é um passo importante rumo ao desenvolvimento de computadores quânticos práticos, exponencialmente mais rápidos do que os atuais.

Chip quântico fotônico

Os fótons não foram unicamente utilizados para transportar os dados no novo chip. Suas interações quânticas foram utilizadas para efetuar de fato os cálculos. Cada fóton funciona como um qubit, o bit de um computador quântico.

Embora seja o supra-sumo da tecnologia, em termos de potencial futuro, este chip quântico fotônico é ainda bastante rudimentar em termos de computação. Ele utiliza apenas quatro fótons como entrada para fazer seus cálculos, ou seja, ele é computador de quatro qubits.

Utilizando um cálculo matemático conhecido como algoritmo de Shor, o chip descobre os fatores primos de 15, dando corretamente a resposta - 3 e 5.

"Esta tarefa pode ser feita mais rapidamente por qualquer criança na escola," brinca Alberto Politi, um dos construtores do processador quântico fotônico. "Mas esta é uma demonstração de princípio realmente importante."

Aplicações dos computadores quânticos

Esquema da implementação do algoritmo de Shor no chip quântico fotônico. [Imagem: Science]

Descobrir fatores primos pode parecer algo um tanto abstrato, mas é em cálculos como esses que se fundamentam os mais modernos métodos de criptografia, incluindo os mecanismos de segurança dos bancos e das mensagens governamentais.

A capacidade que os computadores quânticos deverão ter para simular sistemas quânticos reais também deverá ser extremamente útil no desenvolvimento de novos materiais e novos medicamentos.

Funcionamento do processador quântico

O chip fotônico quântico utiliza guias de onda fabricados em um chip de silício para transportar os fótons. Em vez dos elétrons circulando pelos transistores, o chip fotônico faz seus cálculos explorando a interação entre esses fótons.

Quatro fótons são inseridos no interior do chip por meio de fibras ópticas. Em seu interior, os fótons viajam através das guias de onda que foram construídas de forma a criar uma sequência de portas lógicas, capazes de efetuar as operações tradicionais AND, OR e NOT.

Detectando os fótons na saída do chip quântico, os pesquisadores confirmaram que suas portas lógicas ópticas fizeram corretamente os cálculos. A saída é determinada pelas guias de onda pelas quais os fótons deixam o chip.

"O que é realmente entusiasmador sobre este experimento é que ele irá permitir o desenvolvimento de circuitos quânticos para fótons em larga escala. Isto abre todos os tipos de possibilidades," afirmam os pesquisadores.

Bibliografia:
Shor's Quantum Factoring Algorithm on a Photonic Chip
Alberto Politi, Jonathan C. F. Matthews, Jeremy L. O'Brien
Science
4 September 2009