Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) teletransportaram uma instrução de circuito de computador conhecida como operação de lógica quântica entre dois íons separados (átomos eletricamente carregados), mostrando como programas de computador quânticos podem realizar tarefas em futuras redes quânticas de grande escala.

O teletransporte quântico transfere dados de um sistema quântico (como um íon) para outro (como um segundo íon), mesmo que os dois estejam completamente isolados um do outro, como dois livros nos porões de edifícios separados. Nesta forma de teletransporte da vida real, apenas informação quântica, não importa, é transportado, em oposição à versão de Star Trek de "irradiar" seres humanos inteiros de, dizer, uma nave espacial para um planeta.

O teletransporte de dados quânticos foi demonstrado anteriormente com íons e uma variedade de outros sistemas quânticos. Mas o novo trabalho é o primeiro a teletransportar uma operação lógica quântica completa usando íons, um dos principais candidatos para a arquitetura de futuros computadores quânticos. Os experimentos são descritos na edição de 31 de maio de Ciência .

"Verificamos que nossa operação lógica funciona em todos os estados de entrada de dois bits quânticos com 85 a 87% de probabilidade - longe de ser perfeita, Mas é um começo, "O físico do NIST Dietrich Leibfried disse.

Um computador quântico em grande escala, se um pode ser construído, poderia resolver certos problemas que atualmente são intratáveis. O NIST tem contribuído para os esforços de pesquisa global para aproveitar o comportamento quântico para tecnologias práticas, incluindo esforços para construir computadores quânticos.

Para que os computadores quânticos funcionem como esperado, eles provavelmente precisarão de milhões de bits quânticos, ou "qubits, "bem como maneiras de conduzir operações entre qubits distribuídos em redes e máquinas de grande escala. O teletransporte de operações lógicas é uma maneira de fazer isso sem conexões mecânicas quânticas diretas (conexões físicas para a troca de informações clássicas ainda serão necessárias).

A equipe do NIST teletransportou uma operação lógica NÃO controlada por quantum (CNOT), ou porta lógica, entre dois qubits de íons de berílio localizados a mais de 340 micrômetros (milionésimos de metro) separados em zonas separadas de uma armadilha de íons, uma distância que exclui qualquer interação direta substancial. Uma operação CNOT vira o segundo qubit de 0 para 1, ou vice-versa, somente se o primeiro qubit for 1; nada acontece se o primeiro qubit for 0. No modo quântico típico, ambos os qubits podem estar em "superposições" nas quais eles têm valores de 1 e 0 ao mesmo tempo.

O processo de teletransporte do NIST depende do emaranhamento, que liga as propriedades quânticas das partículas mesmo quando estão separadas. Um par "mensageiro" de íons de magnésio emaranhados é usado para transferir informações entre os íons de berílio (veja o infográfico).

A equipe do NIST descobriu que seu processo CNOT teletransportado emaranhado os dois íons de magnésio - uma etapa inicial crucial - com uma taxa de sucesso de 95%, enquanto a operação lógica completa teve êxito de 85% a 87% das vezes.

"O teletransporte de portal nos permite realizar um portal lógico quântico entre dois íons que são separados espacialmente e podem nunca ter interagido antes, "Leibfried disse." O truque é que cada um deles tem um íon de outro par emaranhado ao seu lado, e este recurso de emaranhamento, distribuído à frente do portão, nos permite fazer um truque quântico que não tem contrapartida clássica. "

"Os pares de mensageiros emaranhados podem ser produzidos em uma parte dedicada do computador e enviados separadamente para qubits que precisam ser conectados a uma porta lógica, mas estão em locais remotos, "Leibfried acrescentou.

O trabalho do NIST também se integrou a um único experimento, pela primeira vez, várias operações que serão essenciais para a construção de computadores quânticos de grande escala baseados em íons, incluindo o controle de diferentes tipos de íons, transporte de íons, e operações de emaranhamento em subconjuntos selecionados do sistema.

Para verificar se eles realizaram uma porta CNOT, os pesquisadores prepararam o primeiro qubit em 16 combinações diferentes de estados de entrada e mediram as saídas no segundo qubit. Isso produziu uma "tabela verdade" quântica generalizada mostrando o processo funcionado.

Além de gerar uma tabela verdade, os pesquisadores verificaram a consistência dos dados em tempos de execução estendidos para ajudar a identificar fontes de erro na configuração experimental. Espera-se que esta técnica seja uma ferramenta importante na caracterização de processos de informação quântica em experimentos futuros.