Alguns governantes poderosos do mundo podem sonhar com a possibilidade de entrar em contato com seus colegas em diferentes continentes sem serem notados por amigos ou inimigos. Algum dia, novas tecnologias quânticas podem permitir a realização desses desejos. Físicos de todo o mundo estão trabalhando na realização de redes quânticas de grande escala nas quais quanta de luz simples transferem informações quânticas (secretas) para nós estacionários a grandes distâncias. Os blocos de construção fundamentais dessas redes quânticas são, por exemplo, repetidores quânticos que neutralizam a perda de informações quânticas em grandes distâncias, ou portas lógicas quânticas que são necessárias para processar informações quânticas.

Agora, uma equipe de cientistas em torno do professor Gerhard Rempe, diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica e chefe da Divisão Quantum Dynamics, demonstrou a viabilidade de um novo conceito para uma porta quântica ( Phys. Rev. X 8, 011018, 6 de fevereiro de 2018). Aqui, os fótons que incidem sobre uma cavidade óptica medeiam uma interação entre dois átomos presos dentro. Essa interação é a base para a realização de operações de porta característica entre os átomos, por exemplo, a operação como uma porta CNOT ou a geração de emaranhamento. O novo método oferece uma variedade de vantagens:por exemplo, as operações de porta ocorrem em microssegundos, o que é uma vantagem para o processamento de informações quânticas. Também, o mecanismo de portão pode ser aplicado a outras plataformas experimentais, e o portão de dois átomos pode servir como um bloco de construção em um repetidor quântico.

O elemento central do experimento (ver figura 1) é um ressonador óptico assimétrico de alta finesse, consiste em um espelho de alto reflexo (à esquerda) e um espelho com transmissão finita (à direita). Dois átomos de rubídio eletricamente neutros estão presos no centro da cavidade. Cada átomo carrega um qubit, isto é, informação quântica que é codificada na sobreposição de dois estados fundamentais estáveis ​​que correspondem aos bits clássicos "0" e "1". "Um dos estados fundamentais está em ressonância com o campo de luz da cavidade. Portanto, átomos e cavidades formam um sistema fortemente acoplado, "Stephan Welte explica, que trabalha no experimento para sua tese de doutorado. "É por isso que os átomos podem falar uns com os outros. Este processo não pode ocorrer no espaço livre."

Para executar o portão, fótons únicos são enviados para o espelho semitransparente. Então, dependendo dos estados iniciais dos átomos, diferentes cenários são possíveis. "Quando ambos os átomos estão no estado de não acoplamento, o fóton pode entrar na cavidade, e uma onda de luz estacionária entre os dois espelhos se forma, "diz Bastian Hacker, outro candidato a doutorado no experimento. "Os átomos podem se comunicar por meio deste campo de luz:se estiver presente, a fase dos qubits armazenados é girada em 180 graus. "Em todos os outros casos, se um ou ambos os átomos estão em ressonância com os modos de cavidade, o fóton é bloqueado na cavidade, e o estado dos átomos não adquire uma mudança de fase.

Esses efeitos são usados ​​para executar operações matemáticas básicas (portas quânticas) entre os dois átomos, como é demonstrado pela equipe de Garching com duas operações de portão características. Por um lado, os cientistas mostram que sua configuração experimental pode funcionar como uma típica porta NÃO C (controlada):aqui o estado de entrada do qubit (controle) decide se o estado do outro (alvo) está sendo alterado ou não. Para demonstrar essa funcionalidade, a operação da porta é executada em um conjunto de quatro estados de entrada ortogonais, e em cada caso o estado de saída resultante é determinado. A partir dessas medidas, é derivada uma tabela que se assemelha a uma porta XOR clássica.

Por outro lado, em outra série de medições, os cientistas provam a criação de estados de saída emaranhados quânticos a partir de dois átomos inicialmente independentes. "Para este fim, os átomos são preparados em uma superposição coerente de ambos os estados fundamentais, "Stephan Welte aponta." Portanto, ambos os casos - que o fóton entra na cavidade e é rejeitado - são sobrepostos mecanicamente quânticos, e a operação do portão leva ao emaranhamento dos átomos. "

"O mecanismo subjacente à operação do portão é muito simples e elegante porque compreende apenas uma etapa física. Em contraste com outros mecanismos de portão, a distância entre os qubits - em nosso caso de 2 a 12 micrômetros - não importa de todo, "Bastian Hacker enfatiza." Além disso, nosso portão não depende da plataforma específica de átomos de rubídio. Poderia igualmente ser aplicado a muitos outros tipos de átomos, íons ou, por exemplo, pontos quânticos de estado sólido que carregam informações quânticas. "O professor Gerhard Rempe até prevê outras extensões do sistema." Consideramos colocar vários átomos, em vez de apenas dois, na cavidade. Nosso mecanismo de portão poderia operar em muitos deles ao mesmo tempo. "Em uma rede quântica de grande escala, nós multi-qubit podem servir como pequenos computadores quânticos que realizam cálculos básicos e enviam seus resultados para outros nós.