Tecnologias quânticas, como computadores quânticos, dispositivos de detecção quântica e memória quântica, frequentemente superam a eletrônica tradicional em velocidade e desempenho, e poderia, portanto, em breve ajudar os humanos a lidar com uma variedade de problemas com mais eficiência. Apesar de seu enorme potencial, a maioria dos sistemas quânticos são inerentemente suscetíveis a erros e ruídos, o que representa um sério desafio para implementá-los e usá-los em configurações do mundo real.

Para permitir a implementação em larga escala de tecnologias quânticas, pesquisadores têm tentado desenvolver técnicas que possam torná-los mais resistentes a ruídos e menos sujeitos a erros. Embora alguns desses métodos, como correção de erros quânticos e tolerância a falhas, provaram ser úteis e agora são os pilares da ciência da informação quântica, os fatores que limitam o desempenho dos sistemas quânticos em aplicativos do mundo real ainda são mal compreendidos.

Pesquisadores da University of Cambridge, no Reino Unido, e do Perimeter Institute for Theoretical Physics, no Canadá, tentaram recentemente obter uma compreensão teórica das limitações das técnicas para "purificar" recursos quânticos ruidosos. Em um artigo publicado em Cartas de revisão física , eles provaram matematicamente a existência de uma série de limites universais sobre a precisão e eficiência dos métodos para purificar diferentes tipos de recursos quânticos associados a aplicações práticas, que desempenham um papel fundamental no funcionamento das tecnologias quânticas.

"As idéias e técnicas discutidas em nosso artigo originam-se da teoria geral dos recursos quânticos de uma tentativa, 'que descrevemos em um de nossos documentos PRL anteriores, "Zi-Wen Liu, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "A ideia principal é analisar uma quantidade teórica da informação chamada de hipótese quântica, testando a entropia relativa, que é mostrado para induzir limitações universais em transformações de estado ruidoso para estado puro. "

Usando teoremas matemáticos, Liu e seus colegas provaram uma série de limitações fundamentais na medida em que recursos genéricos barulhentos podem ser purificados, que se originam das leis da mecânica quântica. Os cálculos que realizaram se aplicam a praticamente todos os tipos de recursos quânticos.

"Mais explicitamente, derivamos limites inferiores não triviais no erro de converter qualquer estado ruidoso de classificação completa em qualquer estado de recurso puro de destino por qualquer protocolo livre (incluindo os probabilísticos) - e descobrimos que é impossível alcançar a purificação perfeita de recursos, mesmo probabilisticamente, "Liu explicou." Em particular, há um limite de compensação não trivial entre a probabilidade de sucesso e a precisão do protocolo, que é semelhante a uma 'relação de incerteza'. "

Os teoremas matemáticos introduzidos por esta equipe de pesquisadores implicam na existência de fortes limites para a eficiência da destilação, uma técnica para purificar recursos quânticos que sustenta uma ampla variedade de tecnologias quânticas planejadas. Mais especificamente, esses teoremas introduzem os primeiros limites inferiores explícitos sobre os custos da destilação do estado mágico, que é considerado um esquema líder para a realização de computação quântica escalável e tolerante a falhas.

"Notavelmente, nossos teoremas nos permitiram estabelecer a primeira compreensão rigorosa dos custos de recursos necessários da computação quântica em grande escala e outras tecnologias quânticas, "Disse Liu." Esperamos que nossos resultados sirvam como diretrizes importantes e encontrem uma ampla gama de aplicações em cenários práticos. Além disso, estamos escrevendo um trabalho de acompanhamento sobre a extensão dos teoremas de não purificação para canais quânticos, que são diretamente aplicáveis ​​a cenários dinâmicos importantes, como simulação de canal quântico e síntese de circuito, para tornar a teoria mais completa. "

Além de esclarecer os custos e as limitações das tecnologias quânticas, os resultados melhoram a compreensão dos princípios fundamentais da mecânica quântica. Como os célebres teoremas proibidos, o teorema da não clonagem e o princípio da incerteza, espera-se que os novos teoremas de "não purificação" que eles introduziram desempenhem papéis críticos no desenvolvimento científico e prático da física quântica. No futuro, eles podem desencadear pesquisas adicionais sobre como esses limites podem ser alcançados, em última análise, pavimentando o caminho para tecnologias quânticas mais eficientes para aplicações práticas do mundo real.

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