(Phys.org) —Em mecânica quântica, é impossível medir com precisão e simultaneamente as propriedades complementares (como a posição e o momento) de um estado quântico. Agora em um novo estudo, físicos clonaram estados quânticos e demonstraram que, porque os clones estão emaranhados, é possível medir com precisão e simultaneamente as propriedades complementares dos clones. Essas medidas, por sua vez, revelar o estado do sistema quântico de entrada.

A capacidade de determinar as propriedades complementares dos estados quânticos desta forma não só tem implicações para a compreensão da física quântica fundamental, mas também tem aplicações potenciais para computação quântica, criptografia quântica, e outras tecnologias.

Os físicos, Guillame S. Thekkadath e co-autores da Universidade de Ottawa, Ontário, publicaram um artigo sobre a determinação de propriedades complementares de clones quânticos em uma edição recente da Cartas de revisão física .

Como explicam os físicos, no mundo clássico, é possível medir simultaneamente os estados complementares de um sistema com precisão exata, e isso revela o estado do sistema. Mas, como Heisenberg propôs teoricamente em 1927, quando estava começando a desenvolver seu famoso princípio da incerteza, qualquer medição feita em um sistema quântico induz uma perturbação nesse sistema.

Esse distúrbio é maior quando se mede propriedades complementares. Por exemplo, medir a posição de uma partícula perturbará seu momentum, mudando seu estado quântico. Essas medições conjuntas intrigam os físicos desde a época de Heisenberg.

Como forma de contornar a dificuldade de realizar medições nas juntas, físicos investigaram recentemente a possibilidade de fazer uma cópia de um sistema quântico, e então medindo independentemente uma propriedade em cada cópia do sistema. Uma vez que as medições são realizadas separadamente, eles não deveriam perturbar um ao outro, ainda assim, eles revelariam informações sobre o sistema quântico original porque as cópias compartilham as mesmas propriedades do original.

Esta estratégia encontra imediatamente outra restrição quântica:devido ao teorema de não clonagem, é impossível fazer uma cópia perfeita de um estado quântico. Então, ao invés, os físicos no novo estudo investigaram o análogo quântico mais próximo da cópia, que é a clonagem ideal. As partes dos estados dos clones que compartilham exatamente as mesmas propriedades do estado de entrada são chamadas de "gêmeos".

Considerando que as cópias teóricas perfeitas de um estado quântico não são correlacionadas, os gêmeos estão enredados. Os físicos mostraram que, como conseqüência deste emaranhamento, medir independentemente as propriedades complementares em cada gêmeo é equivalente a medir simultaneamente as propriedades complementares do estado de entrada. Isso leva ao principal resultado do novo estudo:que medir simultaneamente as propriedades complementares dos gêmeos dá o estado (tecnicamente, a função de onda) do sistema quântico original.

"Na mecânica quântica, medições perturbam o estado do sistema que está sendo medido, "Thekkadath disse Phys.org . "Este é um obstáculo que os físicos enfrentam ao tentar caracterizar sistemas quânticos, como fótons únicos. No passado, os físicos usaram com sucesso medições muito suaves (conhecidas como medições fracas) para contornar esse distúrbio.

"Como tal, nosso trabalho não é o primeiro a determinar propriedades complementares de um sistema quântico. Contudo, mostramos que uma estratégia diferente pode ser usada. É baseado em uma ideia bastante ingênua. Suponha que queremos medir a posição e o momento de uma partícula. Sabendo que essas medições irão perturbar o estado da partícula, podemos primeiro copiar a partícula, e medir a posição em uma cópia e o momento na outra? Essa foi nossa motivação inicial. Mas acontece que apenas copiar não é suficiente. As cópias medidas também devem estar emaranhadas para que essa estratégia funcione.

"Isso é o que mostramos experimentalmente. Em vez de determinar a posição e o momento de uma partícula, determinamos propriedades de polarização complementares de fótons individuais. Você esperaria intuitivamente que essa estratégia falhasse devido ao teorema da não clonagem. Contudo, mostramos que não é o caso, e este é o maior significado do nosso resultado:medir as propriedades complementares dos gêmeos revela diretamente o estado quântico do sistema copiado. "

Como explicam os físicos, um dos aspectos mais importantes da demonstração é contornar as limitações do teorema da não clonagem.

"Em nossas vidas diárias, as informações são frequentemente copiadas, como quando copiamos um documento, ou quando o DNA é replicado em nossos corpos, "Thekkadath explicou." No entanto, em um nível quântico, as informações não podem ser copiadas sem introduzir algum ruído ou imperfeições. Sabemos disso por causa de um resultado matemático conhecido como teorema da não clonagem. Isso não impediu os físicos de tentar. Eles desenvolveram estratégias, conhecido como clonagem ideal, que minimizam a quantidade de ruído introduzido pelo processo de cópia. Em nosso trabalho, vamos um passo adiante. Mostramos que é possível eliminar esse ruído de nossas medições nas cópias usando um truque inteligente que foi proposto teoricamente por Holger Hofmann em 2012. Nossos resultados não violam o teorema de não clonagem, já que nunca produzimos fisicamente cópias perfeitas:nós apenas replicar os resultados de medição que se obteria com cópias perfeitas. "

Em seus experimentos, os físicos demonstraram o novo método usando gêmeos fotônicos, mas eles esperam que a capacidade de tornar precisos, medições simultâneas de propriedades complementares em gêmeos também podem ser implementadas com computadores quânticos. Isso pode levar a muitas aplicações práticas, como fornecer um método eficiente para medir diretamente estados quânticos de alta dimensão, que são usados ​​em computação quântica e criptografia quântica.

“Determinar o estado de um sistema é uma tarefa importante na física, "Thekkadath disse." Uma vez que um estado é determinado, tudo sobre esse sistema é conhecido. Esse conhecimento pode ser usado para, por exemplo, preveja os resultados da medição e verifique se um experimento está funcionando conforme o esperado. Esta verificação é especialmente importante quando estados complicados são produzidos, como os necessários em computadores quânticos ou criptografia quântica.

"Tipicamente, estados quânticos são determinados tomograficamente, muito parecido com a forma como o cérebro é visualizado em uma tomografia computadorizada. Essa abordagem tem a limitação de que o estado é sempre reconstruído globalmente. Em contraste, nosso método determina o valor dos estados quânticos em qualquer ponto desejado, fornecer um método mais eficiente e direto do que os métodos convencionais para determinação de estado.

"Demonstramos experimentalmente nosso método usando fótons únicos. Mas, nossa estratégia também se aplica a uma variedade de outros sistemas. Por exemplo, ele pode ser implementado em um computador quântico usando apenas uma única porta lógica quântica. Prevemos que nosso método poderia ser usado para caracterizar com eficiência estados quânticos complicados dentro de um computador quântico. "

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