Ao investigar os efeitos sutis da mecânica quântica, todos os parâmetros do sistema e suas medições precisam ser ajustados para observar o resultado que você espera. Então, o que acontece quando você direciona tudo para detectar o que você menos espera? Pesquisadores do MIT e da Purdue University, nos Estados Unidos, adotaram apenas essa abordagem e descobriram que podiam amplificar os sinais quânticos por um fator de 30, enquanto mudavam condicionalmente a fase relativa de um fóton de π / 80 para π / 2. Os resultados podem fornecer o elo perdido que empurra uma série de tecnologias de rede quântica para mais perto do uso prático.

Os protocolos de tecnologia quântica geralmente visam maximizar as forças de interação, mas preparar esses sistemas emaranhados pode ser muito difícil. "Fizemos a pergunta, podemos transformar interações fracas em interações muito fortes de alguma forma? "explica Vladan Vuletic, Wolf Professor de Física no MIT. "Você pode, e o preço é, eles não acontecem com frequência. "

Os efeitos que Vuletic e seus colegas observam dependem dos fatores que alimentam os "valores esperados" dos experimentos quânticos. Os valores de expectativa descrevem o resultado médio de um cenário quântico e equivalem ao produto de cada valor possível e sua probabilidade. Vuletic e seus colaboradores concentraram seus estudos em cenários onde a média é dominada por eventos raros, como uma loteria onde todos ganham uma pequena quantia em média, embora na verdade, apenas algumas pessoas ganham grandes quantias. Na mecânica quântica, a luz às vezes também segue o caminho menos percorrido, e como os pesquisadores mostram, isso realmente pode fazer toda a diferença.

Os pesquisadores observaram as interações entre os fótons - um fóton sinal e um fóton auxiliar - seguindo caminhos diferentes através de um conjunto de átomos frios em uma cavidade. Cada fóton pode interagir com os átomos, e essa interação carrega a assinatura de como o outro fóton interagiu, dando uma interação indireta entre os dois fótons. As interações deixam sinais indicadores no fóton, como uma mudança de fase, que enquanto zero na ressonância torna-se positivo ou negativo para longe da ressonância, dependendo de qual lado da ressonância do sistema os parâmetros estão sintonizados.

Mahdi Hosseini, da Purdue University, explica que eles notaram uma mudança de fase média enquanto estudavam a interação. "Eu me lembro de Vladan então fazer alguns cálculos uma noite, e enviou para nós, e nós olhamos para ele, e inicialmente, Eu pensei que não poderia funcionar, ", diz Hosseini. O cálculo sugeriu resultados surpreendentes para um regime em que havia uma alta probabilidade de uma medição de fóton auxiliar associada a uma baixa mudança de fase no feixe de sinal (como pode ser o caso perto da ressonância). Nas raras ocasiões em que esta não é a medição registrada para o fóton auxiliar, a mudança de fase para o feixe de sinal deve ser grande para que o produto com baixa probabilidade ainda atenda ao valor esperado.

O que é mais, através deste fenômeno, os parâmetros selecionados para medir o fóton auxiliar podem afetar muito o resultado da mudança de fase para o fóton sinal, apesar das fracas interações entre os dois, algo que os pesquisadores descrevem como "controle de fótons anunciado". Com a manipulação cuidadosa dos parâmetros do sistema para ajustar o regime dos experimentos, os pesquisadores foram capazes de observar os efeitos previstos pela teoria.

"Ficamos mais animados do que surpresos, "diz Hosseini." Ingenuamente, quando você olha para a média, você não espera ver qualquer mudança de fase na ressonância, nem mesmo uma pequena mudança de fase; você espera não ver nenhum. Mas acontece que, ao mudar o processo de medição, você pode mudar isso para estados altamente interativos, e isso foi surpreendente. "

Os pesquisadores apontam que protocolos que também amplificam sinais foram demonstrados em outros sistemas por meio de "amplificação silenciosa" e "medições fracas". Esses protocolos oferecem melhorias por fatores entre dois e cinco, com uma probabilidade muito pequena. "Se a fidelidade vezes a probabilidade for muito menor que 50%, não é realmente útil para sentir, por exemplo, "explica Hosseini. Em contraste, Hosseini, Vuletic e seus colaboradores foram capazes de demonstrar mudanças de fase até π / 2, onde a mudança de fase média é π / 80 e amplificação do número de fótons por um fator de cerca de 30. Embora esses eventos permaneçam raros, a probabilidade é mais promissora para aplicações práticas.

"Antes, as pessoas pensaram nesta amplificação silenciosa e qualquer mudança de fase como campos completamente díspares, "acrescenta Vuletic." Mostramos que é a mesma coisa, e você pode ter uma pequena mudança de parâmetros para passar das mudanças de fase para o ganho. "

Existem muitas tecnologias de rede quântica emergentes que enfrentam um obstáculo na ausência de uma tecnologia prática para amplificar sinais, como comunicação quântica de longa distância, ou ao conectar vários computadores quânticos, cada um com um número gerenciável de qubits para aumentar a capacidade de processamento. "Perdas e descoerência são sempre um problema, "diz Vuletic.

Enquanto Vuletic está trabalhando em "superátomos" que podem aumentar o acoplamento de fótons, O trabalho de Hosseini está abordando o mundo mais confuso do estado sólido para replicar os fenômenos em cristais com íons de terras raras. Esses sistemas não são tão limpos porque não é possível ter um conhecimento tão preciso do ambiente ao redor dos íons quanto para conjuntos totalmente homogêneos de átomos. Contudo, se o princípio pode ser demonstrado nesses sistemas, pode oferecer uma base mais prática para aplicações e até mesmo multiplexar os efeitos para somar as probabilidades de cada cenário.

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