Isaac Nape, um emergente talento sul-africano no estudo da óptica quântica, faz parte de uma excelente equipe de físicos Wits que liderou um estudo internacional que revelou as estruturas ocultas dos estados quânticos emaranhados. O estudo foi publicado na renomada revista científica, Nature Communications , na sexta, 27 de agosto de 2021.

Nape está fazendo doutorado. na Wits University e se concentra no aproveitamento de padrões estruturados de luz para codificação e decodificação de informações de alta dimensão para uso em comunicação quântica.

No início deste ano, ele ganhou dois prêmios na conferência do Instituto de Física da África do Sul (SAIP) para adicionar à sua coleção crescente de elogios no campo da óptica e fotônica. Ele ganhou o prêmio de "Melhor apresentação oral de Ph.D. em física aplicada, "e ganharam em conjunto o prêmio de" Melhor Ph.D. apresentação oral em fotônica. "

Em maio, ele também foi premiado com a prestigiosa Bolsa de Educação em Óptica e Fotônica 2021 da SPIE, a sociedade internacional de óptica e fotônica, por suas contribuições potenciais para o campo da óptica, fotônica ou campo relacionado.

Computação mais rápida e segura

Agora Nape e seus colegas na Wits, juntamente com colaboradores da Escócia e Taiwan oferecemos uma nova e rápida ferramenta para computação quântica e comunicação. "Estados quânticos que estão emaranhados em muitas dimensões são a chave para nossas tecnologias quânticas emergentes, onde mais dimensões significam uma maior largura de banda quântica (mais rápido) e melhor resiliência ao ruído (segurança), crucial para uma comunicação rápida e segura e para acelerar a computação quântica sem erros.

"O que fizemos aqui foi inventar uma nova abordagem para sondar esses estados quânticos de 'alta dimensão', reduzindo o tempo de medição de décadas para minutos, "Nape explica.

Nape trabalhou com o ilustre professor Andrew Forbes, investigador principal deste estudo e Diretor do Laboratório de Luz Estruturada da Escola de Física do Wits, bem como pós-doutorado Dra. Valeria Rodriguez-Fajardo, pesquisador visitante de Taiwan Dr. Hasiao-Chih Huang, e o Dr. Jonathan Leach e o Dr. Feng Zhu da Heriot-Watt University, na Escócia.

Você é quântico ou não?

Em seu artigo intitulado "Medindo dimensionalidade e pureza de estados emaranhados de alta dimensão, "a equipe delineou uma nova abordagem para a medição quântica, testá-lo em um estado emaranhado quântico de 100 dimensões.

Com abordagens tradicionais, o tempo de medição aumenta desfavoravelmente com a dimensão, de modo que desvendar um estado de 100 dimensões por uma tomografia de estado quântico completo levaria décadas. Em vez de, a equipe mostrou que as informações salientes do sistema quântico - o número de dimensões emaranhadas e seu nível de pureza - podiam ser deduzidas em apenas alguns minutos. A nova abordagem requer apenas projeções simples que poderiam ser feitas facilmente na maioria dos laboratórios com ferramentas convencionais. Usando a luz como exemplo, a equipe usando uma abordagem totalmente digital para realizar as medições.

O problema, explica Nape, é que, embora os estados de alta dimensão sejam facilmente criados, particularmente com partículas emaranhadas de luz (fótons), eles não são fáceis de medir - a caixa de ferramentas existente para medi-los e controlá-los está quase vazia.

Você pode pensar em um estado quântico de alta dimensão como as faces de um dado. Um dado convencional tem seis faces, numerado de um a seis, para um alfabeto de seis dimensões que pode ser usado para computação ou para transferência de informações na comunicação. Fazer 'dados de alta dimensão' significa criar dados com muito mais faces:100 dimensões equivalem a 100 faces - um polígono bastante complicado.

"Em nosso mundo cotidiano, seria fácil contar os rostos para saber que tipo de recurso temos à nossa disposição, mas não é assim no mundo quântico. No mundo quântico, você nunca pode ver a morte inteira, então contar os rostos é muito difícil. A maneira de contornar isso é fazer uma tomografia, como fazem no mundo médico, construindo uma imagem de muitos, muitas fatias do objeto, "explica Nape.

Mas as informações em objetos quânticos podem ser enormes, portanto, o tempo para esse processo é proibitivo. Uma abordagem mais rápida é uma medição Bell, um famoso teste para saber se o que você tem na frente está emaranhado, como perguntar "você é quântico ou não?" Mas, embora isso confirme as correlações quânticas dos dados, não diz muito sobre o número de rostos que possui.

Descoberta casual

"Nosso trabalho contornou o problema por uma descoberta casual, que existe um conjunto de medidas que não é uma tomografia e nem uma medida de Bell, mas contém informações importantes de ambos, "diz Nape." Em linguagem técnica, combinamos essas duas abordagens de medição para fazer várias projeções que se parecem com uma tomografia, mas medindo a visibilidade do resultado, como se fossem medições de Bell. Isso revelou as informações ocultas que poderiam ser extraídas da força das correlações quânticas em muitas dimensões. "

Primeiro e rápido

A combinação de velocidade da abordagem semelhante à de Bell e informações da abordagem semelhante à tomografia significava que os principais parâmetros quânticos, como dimensionalidade e a pureza do estado quântico, poderiam ser determinados de forma rápida e quantitativa, a primeira abordagem para fazer isso.

"Não estamos sugerindo que nossa abordagem substitua outras técnicas, "diz Forbes." Em vez disso, vemos isso como uma investigação rápida para revelar com o que você está lidando, e, em seguida, use essas informações para tomar uma decisão informada sobre o que fazer a seguir. Uma caixa de cavalos-para-cursos. "

Por exemplo, a equipe vê sua abordagem como uma mudança no jogo nos links de comunicação quântica do mundo real, onde uma medição rápida de quão ruidoso esse estado quântico se tornou e o que isso fez com as dimensões úteis é crucial.