Físicos quânticos estabelecem novo recorde para emaranhar fótons juntos: WebCuriosos

Um novo método para entrelaçar o destino de fragmentos de luz superou alguns sérios obstáculos no caminho para a computação quântica baseada em fótons.

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, emaranharam com sucesso 14 fótons em um estado considerado ótimo para qubits, mais do que duplicando as tentativas anteriores – ao mesmo tempo que melhora a sua eficiência.

Ao contrário dos “bits” de código binário por trás de formas mais convencionais de tecnologia de computação, os qubits existem num estado de probabilidade chamado superposição, comportando-se como uma moeda lançada ao cair no ar.

Algoritmos baseados na forma como grupos de moedas quânticas caem podem simplificar algumas matemáticas bastante complexas, mas apenas se sua rotação coletiva não for involuntariamente desviada do curso pelo ambiente.

Chamada de decoerência, esta interrupção na superposição de uma partícula é um enorme obstáculo para os engenheiros que projetam soluções úteis. computadores quânticos.

Em teoria, praticamente qualquer coisa pode existir em uma superposição quântica de estados, de elétrons a átomos e moléculas inteiras (ou maiores). Mas para limitar a decoerência, objetos menores e mais simples levam a melhor.

Os fótons formam qubits ideais. Infelizmente, os computadores quânticos práticos precisam de muitos qubits. Milhares. Milhões até. Quanto mais, melhor. Não apenas todos eles precisam girar em superposição ao mesmo tempo, mas seus destinos precisam ser compartilhados. Ou, para usar o termo da física, emaranhado.

É aqui que entra o desafio.

Existem maneiras relativamente fáceis de emaranhar pares de fótons. Force um átomo a emitir uma onda de luz e depois divida-o usando uma tela especial, e você obterá dois fótons com uma história compartilhada.

Embora permaneçam em vôo com suas respectivas características ainda não medidas, eles agem mais ou menos como uma moeda girando. Eventualmente, um dará cara e o outro coroa.

Emaranhar mais de dois fótons torna-se um desafio maior.

Experimentos com objetos chamados pontos quânticos conseguiram emaranhar cadeias de três a quatro fótons. Não só é improvável que alguma vez produza as centenas e milhares necessárias para uma tanto quanto um computadoro estado de emaranhamento usando essa abordagem não é tão confiável quanto os engenheiros gostariam.

Estudos mais recentes utilizando átomos com grandes orbitais de electrões, chamados átomos de Rydberg, produziram até seis fotões emaranhados, todos numa forma emaranhada eficientemente. Embora o método possa produzir componentes de computação super-rápidos, também não é uma opção facilmente escalonável.

Esta solução mais recente poderia, em teoria, produzir qualquer número de fótons emaranhados, todos no estado ideal.

“O truque deste experimento foi usar um único átomo para emitir os fótons e entrelaçá-los de uma maneira muito específica”, disse ele. diz estudante de doutorado em física e autor principal Philip Thomas.

Um átomo de rubídio foi estimulado a emitir ondas de luz, que foram canalizadas para uma cavidade moldada para refleti-las para frente e para trás de maneira muito precisa.

Ao ajustar perfeitamente a forma como o rubídio brilhava, cada fóton poderia ser emaranhado com todo o estado do átomo – o que significa que cada fóton saltando para frente e para trás na cavidade também estava emaranhado com um número significativo de seus irmãos.

“Como a cadeia de fótons emergiu de um único átomo, ela poderia ser produzida de forma determinística”, diz Tomás.

Neste caso, a equipe conseguiu emaranhar 12 fótons em um aglomerado linear menos eficiente e 14 no premiado Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).

“Até onde sabemos, as 14 partículas de luz interligadas constituem o maior número de fotões emaranhados que foram gerados em laboratório até agora”, diz Thomas.

Eles não apenas foram capazes de emaranhar tantos fótons, mas a eficiência desse método melhorou em relação aos processos anteriores, com quase um em cada dois fótons fornecendo qubits perfeitamente emaranhados.

Configurações futuras precisarão introduzir um segundo átomo para fornecer os qubits necessários para muitas operações de computação quântica. Ter fótons emaranhados disponíveis poderia fornecer as bases para uma tecnologia além da computação, ocupando um papel central nas comunicações criptografadas quânticas.

Esta pesquisa foi publicada em Natureza.