p O Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e seus parceiros fizeram um grande avanço na compreensão da estrutura do emaranhamento em sistemas quânticos com interações de longo alcance. p Emaranhamento, pesquisadores dizem, é um recurso crucial que pode ser aproveitado para comunicação ultra-segura, medição "fantasticamente precisa", relógios requintados e outras marcações de tempo, bem como computadores com uma potência sem precedentes.

p Mecânica quântica, ou a teoria física que governa o mundo microscópico, prevê muitos comportamentos estranhos e contra-intuitivos, disse o físico da ARL, Dr. Michael Foss-Feig. "Por mais estranhos que possam parecer esses comportamentos, há pouca dúvida de que eles são reais. Ao longo do século 20, as previsões da mecânica quântica foram testadas e verificadas em muitos experimentos em sistemas microscópicos, como átomos individuais. "

p Foss-Feig observou que no início do século 21, uma das fronteiras mais interessantes da física quântica é controlar este comportamento estranho tão completamente que pode ser extraído de sistemas macroscópicos, por exemplo, gases ultracongelados contendo milhões de átomos. Ele disse que se isso pode ser alcançado, seguir-se-á uma sorte inesperada de aplicações relevantes do DOD.

p O laboratório fez parceria com o Joint Quantum Institute e Caltech. Sua descoberta dependeu da compreensão de um comportamento estranho conhecido como emaranhamento quântico.

p Na física clássica, descrever o estado de dois objetos não é muito mais difícil do que descrever o estado de um objeto. "Por exemplo, se você e eu temos uma lâmpada e queremos descrever os dois, podemos dizer 'o meu está ligado, e o seu está desligado ', e isso resolveria as coisas. Mas se essas lâmpadas estão emaranhadas, então nenhum dos dois pode ser ligado ou desligado, e, em certo sentido, cada um pode estar ligado e desligado ao mesmo tempo, "explicou ele." Em vez de atribuir a cada lâmpada um estado definido de 'ligado' ou 'desligado', temos de descrever a probabilidade de termos cada combinação possível de 'ligado' e 'desligado'. "

p Em sistemas macroscópicos que consistem em muitos objetos quânticos, as consequências do emaranhamento são profundas, ele disse.

p Embora a estratégia clássica para descrever muitas lâmpadas ainda seja simples ("a primeira está ligada, o próximo está desligado ..., o último está ligado "), uma coleção de lâmpadas emaranhadas deve ser descrita atribuindo uma probabilidade a todas as maneiras possíveis de acender as lâmpadas. Como o número de maneiras que muitas lâmpadas podem ser ligadas ou desligadas aumenta muito rapidamente (exponencialmente) com o número de lâmpadas, grandes sistemas quânticos contêm muito mais informações do que sistemas clássicos de tamanho comparável. Esta estranha observação desempenha um papel crucial na capacidade de grandes sistemas quânticos de realizar tarefas difíceis, mas também causa profundas dificuldades em descrever e prever seu comportamento.

p Talvez o insight mais profundo sobre o emaranhamento feito nas últimas décadas seja que o exemplo da lâmpada costuma ser muito ingênuo.

p "Há de fato uma estrutura simplificadora para os padrões de emaranhamento que podem se formar em sistemas físicos 'razoáveis', como aqueles em que as partículas interagem apenas em curtas distâncias, "Foss-Feig disse." Esta estrutura, chamada de 'lei de área', diz que o emaranhamento é uma propriedade local. Como resultado, grandes sistemas - se obedecerem à lei de área - não são muito mais difíceis de descrever do que sistemas pequenos. Essa estrutura também sugere que, se quisermos aproveitar grandes sistemas quânticos como ferramentas para realizar tarefas difíceis, pode ser útil projetá-los para que sejam (pelo menos um pouco) 'irracionais'. "

p Foss-Feig disse que uma maneira muito natural de fazer isso é dotar um sistema quântico com interações de longo alcance.

p "Por exemplo, um gás de moléculas pode ser polarizado por um campo elétrico para que interajam em longas distâncias como pequenos dipolos elétricos, " ele disse.

p Mas a extensão dessas interações antes que um sistema se liberte da lei de área é uma pergunta difícil que a equipe de pesquisa conjunta espera responder.

p Em um artigo recente publicado na revista Cartas de revisão física , os pesquisadores deram um primeiro passo importante em direção a uma resposta ao fornecer uma prova matemática de que sistemas com interações de longo alcance ainda obedecem à lei de área, desde que as interações não sejam de longo alcance. Este trabalho ajuda a definir a linha elusiva que diferencia os sistemas quânticos que podem ser descritos com eficiência daqueles que não podem. No futuro, os autores esperam explorar a estrutura desta prova para entender melhor os ingredientes mínimos necessários para projetar sistemas quânticos que possuem mais (e mais complexos) emaranhamento.