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Cientistas teletransportam informação quântica entre íons distantes

Apesar de ainda estar longe do teletransporte visto na ficção, descoberta abre caminho para desenvolvimento de computadores quânticos.

Imagem: Shutterstock

Uma equipe de físicos anunciou ter conseguido teletransportar uma instrução de circuito de computadores, conhecida como operação de lógica quântica, entre dois íons (átomos eletricamente carregados) diferentes, no que pode ser uma prévia do modo como os programas de computador quânticos irão operar a partir de redes quânticas de larga escala no futuro. Os pesquisadores estão ligados ao Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), uma organização de pesquisa ligada ao governo dos Estados Unidos.

O teletransporte quântico consiste na transferência de informação de um sistema quântico (como, por exemplo, um íon) para outro (como um segundo íon), mesmo se os dois estão completamente isolados, como se fossem dois livros que estivessem em prédios separados. Nessa versão realista do teletransporte, apenas a informação quântica é transportada, e não matéria — diferentemente do que vemos, por exemplo, em Jornada Nas Estrelas, onde seres humanos são teletransportados de uma nave para um planeta.

O teletransporte de informações quânticas entre íons, assim como em vários sistemas quânticos, já havia sido demonstrado anteriormente. Mas esse novo estudo é o primeiro a usar íons para teleportar uma operação de lógica quântica completa, um fator crucial para a arquitetura dos futuros computadores quânticos. Os experimentos foram descritos na edição de 31 de maio da revista Science.

“Verificamos que nossa operação lógica funciona em todos os estados de input de dois bits quânticos com probabilidade entre 85% e 87%  — algo ainda longe da perfeição, mas um bom começo”, diz Dietrich Leibfried, físico do NIST.

Um computador que seja completamente quântico, se for possível construir um, poderia resolver certos problemas que atualmente são inabordáveis. O NIST participa de iniciativas globais para utilizar propriedades quânticas de pesquisas do comportamento quântico em tecnologias práticas, além de iniciativas  para desenvolver computadores quânticos.

Para que os computadores quânticos alcancem a performance esperada, provavelmente precisarão de milhões de bits quânticos, ou “qubits”, bem como maneiras para conduzir operações envolvendo bits quânticos distribuídos em redes e máquinas de grande escala. O teletransporte de operações lógicas é uma maneira de conseguir isso sem trecorrer a conexões mecânicas de direcionamento quântico (conexões físicas para a troca de informação clássica ainda seriam necessárias).

A equipe do NIST teleportou uma operação lógica quântica NOT-controlada (CNOT), ou porta lógica, entre dois bits de íons de berílio, colocados em uma armadilha de íons, separados por mais de 340 micrômetros (milionésimos de um metro), uma distância que exclui qualquer interação direta significativa. Uma operação CNOT inverte o segundo bit quântico de 0 para 1, ou vice versa, apenas se o primeiro bit é 1; nada acontece se o primeiro qubit é 0. Seguindo as propriedades do mundo quântico, ambos os bits quânticos podem estar em estado de “superposição”, no qual ambos possuem os valores 1 e 0 ao mesmo tempo.

O processo de teleporte em questão se baseia no emaranhamento, que liga as propriedades quânticas das partículas mesmo quando estão separadas. Uma dupla “mensageira” de íons de magnésio emaranhados é usada para transferir a informação entre os íons de berílio.

A equipe descobriu que o processo de teletransporte do CNOT conseguiu criar o emaranhamento entre os dois íons de magnésico — um primeiro passo crucial — com uma taxa de sucesso de 95%, enquanto toda a operação lógica teve sucesso em 85% a 87% das vezes.

“O teletransporte quântico nos permite estabelecer uma porta de lógica quântica entre dois íons que estão espacialmente separados e podem nunca ter interagido antes”, explica Leibfried. “O truque é que cada um deles tem, ao seu lado, um íon de outro par emaranhado, e esse recurso do emaranhamento, distribuído ao longo da porta, nos permite fazer um truque quântico que não tem um equivalente clássico.”

“Os pares mensageiros emaranhados podem ser produzidos em uma parte específica do computador e depois enviadas separadamente para bits quânticos que precisam ser conectados com uma porta lógica mas estão em locais remotos, adiciona Leibfried.

O estudo também integrou em um único experimento, pela primeira vez, diversas operações que serão essenciais na construção de grandes computadores quânticos baseados em íons, incluindo o controle de diferentes tipos de íon, o transporte iônico, e as operações de emaranhamento em determinados subconjuntos do sistema.

Para verificar se a porta CNOT foi realmente executada, os pesquisadores preparam o primeiro bits quântico em 16 diferentes combinações de estados de input e depois mediram os resultados em um segundo qubit. Isso produziu uma “tabela da verdade” quântica geral, mostrando que o processo funcionou.

Além de gerar a tabela da verdade, os pesquisadores checaram a consistência das informações por longos tempos de teste para ajudar a identificar fontes de erros no desenho experimental. Espera-se que essa técnica seja uma ferramenta importante em caracterizar os futuros experimentos que lidem com processos de informação quântica.

Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia