O professor associado de física da Louisiana State University, Mark M. Wilde, e seu colaborador resolveram um problema de 20 anos na teoria da informação quântica sobre como calcular o custo de emaranhamento - uma maneira de medir o emaranhamento - de uma maneira que seja computável de forma eficiente, útil, e amplamente aplicável em várias áreas de pesquisa quântica.

Em um novo artigo publicado em Cartas de revisão física , Wilde e o coautor Dr. Xin Wang, da Baidu Research, descrevem como permitir uma gama um pouco mais ampla de operações físicas do que o que é conhecido como LOCC (operações locais e comunicação clássica) - que confundiram cientistas quânticos com matemática difícil por algum tempo - torna isso possível para caracterizar o custo de emaranhamento exato de um determinado estado quântico. Seu trabalho encerra uma investigação de longa data na teoria de emaranhamento que é conhecida como o "custo de emaranhamento exato PPT de um estado quântico".

A ciência da informação quântica visa compreender e controlar as propriedades estranhas e às vezes assustadoras dos estados quânticos (isto é, estados emaranhados) que permitem tarefas de processamento de informações que são impossíveis no mundo não quântico, como teletransporte, Computação quântica, e comunicação absolutamente segura.

A unidade mais básica de emaranhamento é conhecida como estado de Bell. Você pode pensar nisso como a menor molécula possível consistindo em dois átomos emaranhados (qubits, realmente) cujo emaranhamento é absoluto - implicando, se você pudesse espiar um deles, você saberia, sem sombra de dúvida, que o outro seria seu gêmeo, com as mesmas características. Como duas pessoas jogando uma moeda; se uma pessoa receber coroa, o que é razoavelmente uma chance de 50/50, o outro teria a garantia de obter coroa (ou ambos obteriam cara, mesma coisa), uma consequência do emaranhamento absoluto ou um estado de Bell. Adicionalmente, ninguém mais no universo pode saber o resultado exato do lançamento da moeda, e esta é a principal razão pela qual a comunicação segura baseada no emaranhamento quântico é possível e também desejável.

"O emaranhamento quântico é um tipo de super-correlação que duas partes distantes compartilham, "Wilde explicou." Se o mundo fosse descrito apenas pela física clássica, então, não seria possível ter as fortes correlações disponíveis com o emaranhamento quântico. Contudo, nosso mundo é fundamentalmente mecânico quântico, e o emaranhamento é uma característica essencial dela. "

Quando o emaranhamento quântico foi descoberto pela primeira vez na década de 1930, era considerado um incômodo porque era difícil de entender, e não está claro quais seriam seus benefícios. Mas com o surgimento da ciência da informação quântica na década de 1990, foi entendida em um sentido teórico como a chave para tecnologias quânticas notáveis. Exemplos recentes de tais tecnologias incluem o experimento de teletransporte chinês do solo para o satélite em 2017, bem como a conquista da supremacia computacional quântica do Google no ano passado.

Na LSU, físicos quânticos como Omar Magaña-Loaiza e Thomas Corbitt rotineiramente realizam experimentos que poderiam se beneficiar da nova e mais precisa medida de Wilde e Wang. Em seus respectivos laboratórios, Magaña-Loaiza gerou recentemente estados emaranhados por meio de medidas condicionais, o que constitui uma etapa importante no desenvolvimento de sistemas emaranhados semelhantes a laser, enquanto a Corbitt realizou um estudo de emaranhamento optomecânico, que tem o potencial de ser uma fonte confiável de emaranhamento multifotônico em comprimentos de onda curtos. A nova medida de emaranhamento de Wilde e Wang, chamado de emaranhamento κ ou negatividade logarítmica máxima, pode ser usado para avaliar e quantificar o emaranhamento produzido em uma ampla gama de experimentos físicos quânticos.

As unidades básicas de emaranhamento ou estados de sino também são conhecidos como e-bits. O emaranhamento pode ser visto de duas maneiras diferentes:quantos e-bits seriam necessários para preparar um estado quântico, ou quantos e-bits alguém poderia extrair ou "destilar" de um estado complexo emaranhado. O primeiro é conhecido como custo de emaranhamento e é o problema que Wilde e Wang consideraram.

"E-bits são um recurso precioso e você deseja usar o mínimo possível deles, "Wilde disse." Em física, muitas vezes você deseja examinar o processo de encaminhamento e o processo de retorno. É reversível? E se for, eu perco algo ao longo do caminho? E a resposta é sim. "

Wilde admite que o problema que ele e Wang resolveram é um tanto esotérico - um truque matemático. Contudo, permitirá aos cientistas da informação quântica calcular com eficiência os custos de emaranhamento, dadas certas restrições.

"Nem todas as medidas de emaranhamento são eficientemente computáveis ​​e têm um significado como o custo de emaranhamento. Essa é uma distinção fundamental entre todos os trabalhos anteriores e os nossos, "Wilde acrescentou.

Embora a falta desse tipo de medida tenha sido o calcanhar de Aquiles na ciência da informação quântica por mais de 20 anos, era - ironicamente - Wilde se tornando "enredado" no máximo negativamente durante um jogo de basquete em 2018 que o levou a resolver o problema com Wang.

"Eu rompi meu calcanhar de Aquiles enquanto tentava o ponto da vitória do jogo, em seguida, fez uma cirurgia para repará-lo, e não consegui sair da cama por um mês e meio, "Wilde lembra." Então, Eu escrevi um artigo de pesquisa sobre o custo de emaranhamento, e quando Xin Wang soube disso, ele me perguntou se eu estaria interessado em desenvolver ainda mais esse problema. Então começamos a trabalhar juntos, vai e volta, e esse se tornou o artigo que agora publicamos em Cartas de revisão física . Tornamo-nos bons amigos e colaboradores depois disso - são notáveis ​​as surpresas que podem ocorrer na vida. "