Um mapa de transmissão virtual pode ter um impacto significativo no processamento quântico de informações. Crédito:Fractal Hassan/Unsplash Num novo estudo, os cientistas propõem o conceito de “transmissão quântica virtual”, que fornece uma solução alternativa para o antigo teorema da não clonagem, oferecendo assim novas possibilidades para a transmissão de informação quântica.
O estudo, publicado em Physical Review Letters , descreve um mapa de transmissão virtual que cria cópias correlacionadas “virtualmente”. Por meio de uma série de quatro teoremas, os pesquisadores estabelecem a viabilidade desse mapa, que permite a criação de cópias correlacionadas de estados quânticos ao longo do tempo.
Além disso, os pesquisadores demonstram a robustez da estrutura canônica, provam sua aproximação física ao clonador universal e detalham como o mapa pode ser implementado.
A transmissão quântica virtual promete impactar muitos campos do processamento de informações quânticas, aproveitando correlações baseadas no tempo, evitando assim as limitações impostas pelo teorema da não clonagem.
Por que não podemos copiar e colar?
A mecânica quântica, embora incrivelmente poderosa, é construída de forma a impedir que as informações sejam replicadas ou copiadas. Um estado quântico encapsula todas as informações relevantes no sistema e entra em colapso ou muda para um dos resultados possíveis da medição quando medido ou observado.
Isso significa que não podemos copiar o estado, pois ele precisa ser medido para podermos fazer isso. Este princípio é conhecido como teorema da não clonagem. Em termos mais simples, você não pode simplesmente copiar e colar informações quânticas como faria com dados clássicos.
Esta limitação representa um obstáculo significativo para os sistemas de comunicação quântica que dependem da capacidade de transmitir e reproduzir informações quânticas de forma eficiente.
A equipe de pesquisa era composta pelo Prof. Arthur Parzygnat do MIT, Prof. James Fullwood da Universidade de Hainan, Prof. Francesco Buscemi da Universidade de Nagoya e Prof.
Eles foram motivados por este problema apresentado pelo teorema da não clonagem. Seu objetivo era estudar a evolução dos estados quânticos ao longo do tempo e compreender o que “correlação não implica causalidade” significava para estados puramente quânticos.
Transmissão quântica virtual
“Nossa maneira de contornar isso foi introduzir canais virtuais de transmissão quântica, que, embora não sejam processos físicos genuínos, têm muitas aplicações importantes no processamento de informação quântica”, explicou o Prof.
Ao contrário dos métodos tradicionais de cópia, que são proibidos pelo teorema da não clonagem, estes canais ou mapas de transmissão virtual operam virtualmente, o que significa que não envolvem replicação física direta.
Em vez disso, o mapa estabelece correlações entre diferentes instâncias de um estado quântico, permitindo efetivamente a transmissão de informações sem violar os princípios fundamentais da mecânica quântica.
O mapa de transmissão virtual é único e satisfaz três axiomas simples, que os pesquisadores expõem no teorema 1. Os axiomas que regem o mapa de transmissão virtual garantem consistência sob mudanças em:
- O quadro de referência.
- Simetria entre as extremidades receptoras.
- A capacidade de copiar informações clássicas não afetadas pela decoerência.
Estes são os requisitos básicos de um mapa de transmissão virtual.
Os pesquisadores provam ainda (no teorema 2) que uma aproximação física de tal mapa poderia ser criada usando um clonador universal, um dispositivo que pode fazer as cópias mais fiéis possíveis de um estado quântico arbitrário.
A seguir, os pesquisadores mostram como o mapa de radiodifusão pode ser alcançado por decomposição (teorema 3). Estabelece que o mapa pode ser dividido em duas operações:
- Um protocolo de medição e preparação envolve a realização de uma medição virtual no sistema quântico para criar uma medição virtual no sistema quântico.
- Em seguida, duas cópias do estado quântico virtual são geradas com base nos resultados da medição virtual realizada na etapa anterior.
Finalmente, estabelecem (no teorema 4) a equivalência entre a ação de uma função de evolução temporal e a ação do mapa de transmissão virtual em qualquer estado arbitrário. Isto implica que o mapa de transmissão virtual se comporta como uma operação temporal, permitindo a criação de cópias virtuais correlacionadas de estados quânticos ao longo do tempo.
"A característica mais atraente deste trabalho é que o mapa é caracterizado exclusivamente por um conjunto simples de requisitos naturais. É por isso que o chamamos de canônico. Essa propriedade única, por sua vez, parece apontar para uma parte totalmente nova da teoria quântica, ou seja, sua estrutura temporal, que ainda é amplamente inexplorada", explicou o Prof. Buscemi.
Impacto nas aplicações quânticas
Ao estabelecer um teorema de transmissão quântica virtual, os pesquisadores trouxeram uma série de novas possibilidades para computação quântica, informação quântica e criptografia quântica.
"Um caminho que considero particularmente interessante, e no qual estou trabalhando atualmente com o Prof. Parzygnat, é como um estado de transmissão virtual pode potencialmente codificar as estatísticas de medição de duas medições separadas no tempo em um determinado laboratório", disse o Prof.
Este fenómeno sugere que o estado de transmissão virtual, conforme descrito, captura não apenas os valores esperados, mas também as probabilidades de resultados de medição conjunta.
Isto apoia a interpretação da transmissão virtual como um processo espaço-temporal que reflete o fluxo de informação quântica ao longo do tempo, "semelhante à forma como o espaço-tempo encapsula a evolução do espaço ao longo do tempo", acrescentou o Prof.
Os pesquisadores também apontam que a transmissão virtual revela a estrutura oculta por trás de muitas tecnologias de informação quântica. O professor Chiribella explica isso com um exemplo no contexto da comunicação quântica:"Uma maneira natural para um bisbilhoteiro acessar um canal de comunicação quântica é tentar copiar estados quânticos."
“Acontece que a melhor forma aproximada de copiar o estado quântico é realizar uma aproximação física da nossa transmissão virtual.”
Esta compreensão pode melhorar as medidas de segurança na comunicação quântica, oferecendo insights sobre potenciais técnicas de escuta e suas contramedidas.
Os pesquisadores apontam para a entrada em uma nova área da teoria quântica anteriormente considerada pouco ortodoxa ou fora dos limites, como a medição direta da precisão em dispositivos quânticos, conforme permitido pelo mapa de transmissão virtual.
“Talvez as respostas para muitas questões fundamentais possam ser encontradas aqui”, concluiu o Prof. Buscemi.
