Criando Estados Distinguíveis para Sistemas Quânticos

Inovações em Estados Quânticos

Pesquisadores em todo o mundo estão em uma corrida para desenvolver novos sistemas quânticos para sensoriamento, comunicação, computação e controle, que prometem superar os sistemas tradicionais. Criar estados quânticos estáveis, mensuráveis e distinguíveis, que seriam o coração de qualquer sistema desse tipo, é uma tarefa desafiadora.

Propriedades dos Estados Quânticos

Os estados quânticos possuem propriedades únicas que podem ser exploradas para desenvolver novos sistemas de processamento de informações. Duas propriedades chave, estabilidade e distinguibilidade, são difíceis de alcançar. Extrair informações de um sistema quântico depende da distinguibilidade dos estados quânticos, uma propriedade intrínseca associada à ortogonalidade. No entanto, nenhum dois estados gaussianos (uma classe amplamente estudada de estados quânticos) são ortogonais, resultando em um erro inevitável ao tentar distingui-los.

Uma Nova Abordagem para Estados Distinguíveis

Pesquisadores do MIT e da Universidade de Ferrara encontraram uma nova abordagem para criar estados facilmente distinguíveis, que pode ajudar a possibilitar o desenvolvimento desses novos dispositivos quânticos. A nova abordagem é abordada em um artigo publicado na revista Physical Review A, por Moe Z. Win e Peter L. Falb, do MIT, juntamente com Andrea Giani e Andrea Conti, da Universidade de Ferrara. A equipe descobriu uma maneira de traduzir entre estados quânticos de luz e variedades algébricas (uma estrutura matemática da álgebra abstrata), tornando a análise mais gerenciável ao reduzi-la a equações matemáticas resolvíveis.

Desenvolvimentos e Impactos Futuro

“Os sistemas quânticos podem oferecer um desempenho que é significativamente melhor do que seus equivalentes clássicos,” afirma Win. “Mas isso não vem de graça.” Para desenvolver dispositivos práticos capazes de produzir e detectar diferentes estados, “é necessário projetar cuidadosamente os estados quânticos nos quais eles codificam informações.”

Win acrescenta que “estamos estudando como projetar estados quânticos distinguíveis, o que se traduz diretamente em um desempenho melhorado para sensoriamento e comunicação.” O foco da análise teórica da equipe envolveu níveis de energia de fótons, ou partículas de luz. Giani explica que utilizaram uma operação chamada variação de fótons, que pode assumir duas formas: adição de fótons, onde os fótons são excitados para um estado de energia mais alto, ou subtração de fótons, onde os fótons são aniquilados (ou seja, removidos do sistema). Essas operações mudam o estado quântico de gaussiano para não-gaussiano; os estados não-gaussianos parecem ser os mais úteis, concluiu a equipe.

Perspectivas para o Futuro

Com este trabalho, Win observa: “temos uma teoria que nos dá um plano para projetar esses estados não-gaussianos, em vez de apenas, ‘tente isto e aquilo, e vamos torcer para que sejam um pouco distinguíveis.’ Nossa teoria nos diz exatamente como proceder para projetar estados não-gaussianos ortogonais.” Os pesquisadores afirmam que agora que os princípios foram estabelecidos, a implementação deve ser relativamente simples, e já existem alguns arranjos ópticos que podem ser usados para aplicar esses tipos de estados.

Com os avanços realizados e a característica matemática que vincula as equações à física subjacente, o futuro dos sistemas quânticos parece promissor. “Estamos ganhando ímpeto e é muito emocionante,” conclui Win. “Estamos olhando para uma classe de problemas de design de sinal e, em seguida, encontrando chaves que realmente desbloqueiam essas questões, para que, esperançosamente, a resposta não se aplique apenas a um único arranjo particular, mas algo significativamente mais amplo.”