Uma fotografia do entrelaamento quntico

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 29/08/2023

Fotografia do entrelaamento quntico

Fsicos canadenses e italianos desenvolveram uma tcnica que permite visualizar diretamente, e em tempo real, a funo de onda de dois ftons entrelaados.

Ftons so as partculas elementares que constituem a luz, e o entrelaamento o fenmeno bizarro que Einstein detestava, chamando-o de ao fantasmagrica distncia, mas que hoje est na base do funcionamento no apenas dos computadores qunticos, mas de inmeras outras tecnologias qunticas, de sensores a simuladores.

Quando dois ftons esto entrelaados, tudo o que acontece a um afeta imediatamente o outro, no importando a distncia que os separe, o que permite fazer clculos mais rapidamente do que usando um computador clssico – os fsicos chamam isso de interao no-local. O entrelaamento tambm usado como base para o teletransporte quntico, um processo que permite que a informao seja movida de um qubit para outro sem precisar mover a prpria partcula que contm essa informao.

Em 2018, uma equipe finlandesa conseguiu tornar o entrelaamento quntico visvel, mas usando objetos macios, visveis a olho nu. Esta demonstrao feita agora muito mais fundamental, indo diretamente ao cerne da mecnica quntica, visualizando a funo de onda dos ftons.

A funo de onda quntica tambm j havia sido fotografada, mas agora a equipe foi alm, fotografando a funo de onda entrelaada, algo como duas bizarrices da mecnica quntica (funo de onda e entrelaamento) aparecendo na mesma foto.

Tomografia quntica

Lembre-se que, na fsica quntica, os componentes fundamentais da nossa realidade podem ser entendidos como partculas ou como ondas. Neste ltimo caso, no temos uma “bolinha de gude” microscpica, mas uma funo de onda, uma funo matemtica que descreve o comportamento dessa partcula. Por estranho que possa parecer, a funo de onda um fenmeno real, uma espcie de matemtica que virou realidade.

Mais precisamente, a funo de onda permite prever os resultados provveis de vrias medies de uma “partcula”, por exemplo sua posio, velocidade etc. Esta capacidade preditiva inestimvel nas diversas tecnologias qunticas, onde conhecer um estado quntico que gerado ou inserido em um computador quntico permitir testar o prprio computador. Alm disso, os estados qunticos utilizados na computao quntica so extremamente complexos, envolvendo muitas entidades que podem apresentar fortes correlaes no-locais (entrelaamento).

Hoje, conhecer a funo de onda de um sistema exige uma tcnica chamada tomografia quntica, que exige uma srie de medies e um tal aumento de complexidade que uma nica caracterizao completa pode levar horas ou mesmo dias. Isto, claro, eleva muito a incerteza do resultado, que pode ser afetado por rudos e pela prpria complexidade (multidimensionalidade) do sistema que est sendo medido.

A tomografia quntica pode ser pensada como a observao das sombras de um objeto de vrias dimenses projetado em paredes diferentes a partir de direes independentes. Tudo o que o observador consegue ver so as sombras e, a partir delas, ele precisa inferir a forma (estado) do objeto completo. Por exemplo, na tomografia computadorizada, a informao de um objeto 3D reconstrudo a partir de um conjunto de imagens 2D.

Holografia digital

Na ptica clssica, contudo, existe outra maneira de reconstruir um objeto 3D, por meio da holografia digital. Essa tcnica se baseia no registro de uma nica imagem, chamada interferograma, obtida pela interferncia da luz espalhada pelo objeto com uma luz de referncia.

Danilo Zia e colegas das universidade de Ottawa e Sapienza de Roma estenderam esse conceito para o caso no de um feixe de luz, mas de apenas dois ftons. Assim, a imagem gerada pela holografia digital mostra no apenas a funo de onda dos dois ftons, como documenta o prprio fenmeno do entrelaamento quntico entre ambos.

A reconstruo do estado bifton requer sobrep-lo a um estado quntico conhecido e, em seguida, analisar a distribuio espacial das posies onde os dois ftons chegam simultaneamente. Fotografar a chegada simultnea de dois ftons conhecida como imagem de coincidncia. Esses ftons podem vir da fonte de referncia ou de uma fonte desconhecida. A mecnica quntica estabelece que a fonte dos ftons no pode ser identificada. Isto resulta em um padro de interferncia que pode ser usado para reconstruir a funo de onda desconhecida.

Este experimento foi possvel graas a uma cmera avanada que registra eventos com resoluo de nanossegundos para cada pxel.

“Este mtodo exponencialmente mais rpido que as tcnicas anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos, em vez de dias. importante ressaltar que o tempo de deteco no influenciado pela complexidade do sistema – uma soluo para o desafio de longa data da escalabilidade na tomografia projetiva,” disse Alessio D’Errico, membro da equipe.

A velocidade e a preciso desta tcnica tero impacto muito alm da pesquisa acadmica, com potencial para acelerar os avanos da tecnologia quntica, como melhorar a leitura dos qubits, a deteco de substncias, a comunicao quntica e o desenvolvimento de novas tcnicas de imageamento.

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