Pesquisadores criam estados gráficos quânticos complexos com fótons
O gráfico (a) mostra as duas cadeias de estados do gráfico unidimensional (aglomerado linear) e estrela à esquerda, uma acima da outra, e a caixa de estados do gráfico bidimensional e duas variantes do anel à direita; círculos/nós:qubits, linhas:emaranhados. O gráfico (b) mostra como ambos os átomos (círculos preenchidos, topo) que estão emaranhados com fótons (círculos vazios) são emaranhados para formar uma árvore pela aplicação de uma porta de fusão (anel ao redor dos átomos). Crédito:Olivier Morin O emaranhado de sistemas quânticos é a base de todas as tecnologias de informação quântica. Formas complexas de emaranhamento entre vários bits quânticos são particularmente interessantes.
No entanto, isso não só resulta em enorme poder de computação, mas também em explosões de fórmulas quando são descritas matematicamente. A representação gráfica abstrata desses estados complexos na forma de “estrelas”, “anéis” ou “árvores”, por exemplo, oferece uma simplificação elegante.
A equipe de Olivier Morin no departamento de Gerhard Rempe, Diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, conseguiu pela primeira vez criar um estado gráfico em forma de anel e em forma de árvore em um experimento. Este é um grande avanço para o desenvolvimento de computadores quânticos ou da Internet quântica.
Numa futura Internet quântica, que Rempe tem investigado há muito tempo como pioneiro, os quanta de luz poderiam assim ser emaranhados para formar uma mensagem quântica que é muito mais estável contra perdas. O trabalho está publicado na Nature .
O conceito de emaranhamento constitui a base de todas as tecnologias de informação quântica que estão sendo pesquisadas e desenvolvidas, sejam eles computadores quânticos ou a Internet quântica. Pares de bits quânticos, ou qubits, para abreviar, que estão emaranhados entre si, servem como elemento básico.
Você pode imaginar um par como duas luzes LED conectadas entre si por meio de um cabo. Ao conectar mais e mais deles, cadeias mais longas de luzes podem ser formadas. As luzes representam os qubits, os pedaços de cabo o emaranhado entre eles. Isto permite criar não apenas correntes, mas também anéis, estrelas ou estruturas em forma de árvore.
No entanto, desenhar uma imagem que se pareça com decorações de Natal nesta analogia também pode ser altamente interessante para o processamento quântico de informações, agora de volta na forma de qubits emaranhados. “Com uma configuração em forma de escada de qubits emaranhados, por exemplo, um computador quântico universal pode ser construído”, explica Gerhard Rempe.
Seu interesse de pesquisa reside na internet quântica, na qual informações quânticas, embaladas em fótons emaranhados como “qubits voadores”, são enviadas através de redes de fibra óptica. O maior desafio aqui é a perda de fótons, que aumenta exponencialmente com a duração da transmissão.
Como antídoto, seria inteligente, por exemplo, sobrepor um emaranhado em forma de árvore a um fluxo de fótons voando um após o outro. “Você poderia escrever informações quânticas nele de forma redundante”, explica Rempe, “e mesmo que apenas metade dos fótons chegasse ao receptor, ele ainda poderia recriar essa informação”.
Notação gráfica elegante para emaranhados complexos
Visto de fora, o fluxo de fótons sempre se assemelharia a um colar de pérolas, segundo o físico, independentemente da forma do estado quântico gráfico dos fótons. A representação gráfica como estrela, árvore ou anel está localizada em um espaço matemático abstrato.
A física matemática desenvolveu-o há muitos anos para resolver um problema:quanto mais qubits estão emaranhados uns com os outros, especialmente em conexões cruzadas, mais gigantescas se tornam as fórmulas da mecânica quântica que seriam necessárias para escrever.
Esta é essencialmente a mesma explosão exponencial que produz o poder computacional dos bits quânticos. A representação gráfica, por outro lado, é deliciosamente simples:os nós simbolizam os bits quânticos, as linhas entre eles o emaranhamento.
Extremamente difícil de realizar experimentalmente
O que parece maravilhosamente elegante e simples na teoria é, no entanto, extremamente difícil de realizar na experiência. “Em 2007, imaginamos pela primeira vez que poderíamos produzir estados gráficos de mecânica quântica usando nossas técnicas experimentais”, diz Rempe.
O professor de física passou décadas aperfeiçoando um processo no qual átomos individuais ficam presos entre dois espelhos altamente reflexivos. Essas cavidades ópticas podem ser usadas para resolver várias questões fundamentais da física, como a forma como a luz interage com a matéria. Tal cavidade atua sobre o átomo como dois espelhos entre os quais podemos nos colocar, vendo-nos um zilhão de vezes como um reflexo em um reflexo e assim por diante.
Uma vez que um átomo se ilumina, isto é, emite um fóton, ele “vê” centenas de milhares de átomos iluminados, imagens espelhadas de si mesmo. Isto força o átomo a emitir o fóton exatamente na direção do eixo do espelho. Um dos dois espelhos é apenas ligeiramente permeável, como acontece num laser, e assim o fóton pode escapar da “sala dos espelhos” e ser registrado por um detector.
É somente através desse truque que os pesquisadores sabem onde procurar o minúsculo fóton e podem, assim, posicionar o detector corretamente. O próprio átomo, flutuando em um campo de luz, pode ser manipulado através das extremidades abertas da cavidade usando lasers e óptica de alta precisão.
Qubits fisicamente separados são fundidos em um único qubit lógico
Em 2007, um estudante de doutorado conseguiu pela primeira vez induzir um átomo a emitir dois fótons emaranhados dessa forma. Esta foi a centelha inicial para Rempe. Em 2022, o grupo de Olivier Morin no departamento de Rempe alcançou 12 fótons emaranhados em forma de cadeia e 14 em forma de estrela – um recorde mundial.
No entanto, matematicamente falando, estes eram apenas estados gráficos unidimensionais, incluindo a "estrela". Para chegar a anéis ou árvores, era necessária uma segunda dimensão, uma “área” no espaço abstrato dos estados do gráfico.
A equipe capturou dois átomos de rubídio-87 na cavidade óptica e preparou um estado gráfico unidimensional com ambos os átomos, no qual o átomo está emaranhado com muitos fótons. Através de uma medição conjunta em ambos os átomos, os dois qubits atômicos fisicamente separados são então “fundidos” em um único qubit “lógico”. Isso então gera um estado gráfico bidimensional.
Desta forma, foi possível fundir cadeias de fótons simples em um estado gráfico em forma de árvore, por exemplo, e assim gerar padrões de emaranhamento complexos adequados para aplicações sofisticadas.
“As implicações são gigantescas”, diz Rempe sobre este avanço após uma maratona científica de quase uma década. "Toda uma nova comunidade de pesquisa está se formando atualmente em torno do tema."
