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Físicos na China e na Áustria mostraram pela primeira vez que podem teletransportar estados multidimensionais de fótons. Realizando experimentos usando fótons codificados através de três estados espaciais, eles dizem que seu esquema pode ser estendido a um número arbitrariamente alto de dimensões e é um passo vital no teletransporte de todo o estado quântico de uma partícula. O trabalho também poderia melhorar a tecnologia usada em comunicações quânticas e computação quântica.
A mecânica quântica proíbe que o estado quântico de uma partícula seja copiado precisamente para outra partícula. Mas o teletransporte - a transferência instantânea de um estado entre partículas separadas por uma longa distância - oferece uma alternativa. O processo não envolve transferência física de matéria e apaga o estado da partícula a ser copiada.
A ideia básica é que Alice e Bob compartilham um par de partículas entrelaçadas (na terminologia da criptografia quântica, Alice sendo a remetente de uma mensagem e Bob o receptor). Então Alice interage com uma terceira partícula - em um estado desconhecido - com sua metade do par entrelaçado, mede o resultado da interação e depois diz a Bob o resultado por meio de um canal clássico. Dada essa informação e uma medida em sua metade do par emaranhado, Bob é capaz de calcular o estado desconhecido original - que é o que foi teletransportado.
Proposto pela primeira vez em teoria em 1993, o teletransporte quântico tem sido demonstrado em muitos aspectos diferentes. Ele foi realizado usando estados de dois níveis de um único fóton, um único átomo e um íon preso - entre outros objetos quânticos - e também usando dois fótons. Então, em 2015, Chaoyang Lu, Jian-Wei Pan e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei demonstraram o teletransporte de dois graus de liberdade - spin e momento angular orbital - entre fótons únicos.
Medindo o estado da campainha
Para dimensões mais altas
Medindo o estado da campainha
Para dimensões mais altas
Nos últimos trabalhos, o mesmo grupo, trabalhando com Anton Zeilinger e seus colegas da Universidade de Viena, na Áustria, demonstrou o teletransporte de estados de dimensões superiores. Como explica Lu, poder transferir vários graus de liberdade é apenas parte do desafio. Isso porque as partículas na natureza têm propriedades que podem assumir muitos valores possíveis, em vez dos simples estados binários (qubits) usados em experimentos até hoje. Ele diz que até mesmo o átomo mais simples - o hidrogênio - pode potencialmente existir em quatro estados fundamentais diferentes e em muitos estados excitados.
A principal dificuldade em fazer isso, diz Lu, é a medida inicial de Alice do "estado de sino" entre o fóton a ser teletransportado e sua metade do par entrelaçado. Essa medida requer que os dois fótons interajam entre si, mas essa interação é extremamente fraca. Há uma maneira direta de contornar esse problema quando se lida com duas dimensões, diz ele, mas não para um número maior.
Em duas dimensões há quatro estados de Bell possíveis, dado que cada fóton pode existir como 1 ou 0: 00 + 11, 00-11, 01 + 10 e 01-10. Como três desses quatro estados são “simétricos” - o que significa que a mudança das duas partículas deixa inalterada a função de onda combinada - o quarto estado “assimétrico” pode ser identificado sem ambigüidade, permitindo que o estado seja teletransportado com sucesso. No entanto, em três dimensões existem nove estados possíveis, três dos quais são anti-simétricos, enquanto os restantes seis não são simétricos nem antisimétricos.
Para superar esse problema, os pesquisadores construíram uma rede complexa de componentes ópticos lineares, ligando múltiplas entradas com múltiplas saídas. O truque era tocar quatro fótons diferentes - aquele a ser teletransportado, os dois sendo entrelaçados e um extra para permitir medições bem-sucedidas do estado de Bell. Os fótons foram gerados por um laser ultravioleta pulsado e então divididos ao longo de três caminhos diferentes - para representar as três dimensões - com os três fótons no final de Alice, interferindo um no outro. Os padrões de cliques dos detectores registrando a saída dos interferômetros revelaram se os três fótons haviam sido projetados em um estado específico de Bell e, portanto, poderiam ser usados para teletransporte.
Em um artigo postado no arXiv , e aceito para publicação na Physical Review Letters , Lu e seus colegas relatam ter teletransportado com sucesso fótons 75% do tempo - preparando os fótons de entrada em um estado específico conhecido e comparando-os com os fótons teletransportados (a procedimento padrão em experimentos de teletransporte). Essa fidelidade de 0,75, eles apontam, está bem acima do limite superior de 0,5 possível sem emaranhamento, assim como o 0,66 que poderia ser conseguido com apenas qubits.
Lu diz que o esquema poderia ser ampliado facilmente para quatro, cinco ou mais dimensões, principalmente adicionando mais alguns divisores de feixe, embora ele considere que a integração dos componentes em um chip fotônico pode ser mais prática para um grande número de dimensões. Mais genericamente, seu grupo está agora procurando combinar essas dimensões superiores com múltiplos graus de liberdade para tentar teletransportar partículas completas. "Esse é um passo necessário se quisermos teletransportar sistemas complexos", diz ele.
Tecnologicamente, Lu diz que o teletransporte de alta dimensão poderia ser usado para estender as redes de comunicação quântica - potencialmente fornecendo repetidores de maior largura de banda e mais seguros do que poderia ser alcançado usando qubits. Também pode acelerar as operações lógicas dentro de computadores quânticos, ele avalia. Além do mais, diz ele, os testes de Bell de dimensão superior poderiam fornecer maior scrunity da ideia de Einstein de realismo local, uma vez que produziriam uma diferença ainda mais extrema entre as medições clássica e quântica.
Lu e seus colegas não são os únicos pesquisadores que demonstraram teletransporte de maior dimensão. Guang-Can Guo e colaboradores, também baseados na Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei, também relataram o teletransporte de fótons em três dimensões . O esquema deles era bastante semelhante ao de Lu, mas contava com dois fótons extras para realizar a medição do estado de Bell, em vez de um. Eles também parecem ter alcançado uma fidelidade ligeiramente menor - relatando um valor de “acima de 0,63”.
Fonte: Physics World / 07-08-2019
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Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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