Investigação Descobre Limitações Existentes na Deteção de Emaranhamento

Emaranhamento quântico

O enredamento quântico é um processo através do qual 2 partículas ficam enredadas e permanecem ligadas ao longo do tempo, também quando separadas por grandes distâncias. A observação deste fenómeno é de importância essencial tanto para o avanço da tecnologia quântica como para a investigação da física quântica de muitos corpos.

Os cientistas de Tsinghua conduziram recentemente investigação explorando as possíveis razões pelas quais a deteção fiável e também eficiente do enredamento em sistemas complexos e “ruidosos” se tem revelado frequentemente um grande desafio. As suas descobertas, divulgadas em (PRL) Physical Review Letters, sugerem a presença de um compromisso entre a eficácia e eficiência das técnicas de deteção de emaranhamento.

A maioria dos estados quânticos está enredada e isto tem as suas implicações.

“Há mais de 20 anos, os cientistas descobriram que a maioria dos estados quânticos estão enredados”, disse Xiongfeng Ma, um dos cientistas que realizou o estudo, ao Phys.org.

“Isto significa que, por exemplo, se conseguirmos construir um sistema de 100-qubit, digamos, um sistema computacional quântico supercondutor ou de armadilhas de iões, este sistema irá desenvolver-se durante algum tempo, durante o qual as qubits interagem extensivamente umas com as outras. É claro que haverá erros, pelo que para manter um bom controlo coerente, isolamos razoavelmente o sistema do ambiente. Desde que a pureza (quantificando a eficácia do nosso esforço de isolamento) não seja exponencialmente pequena com o número de qubits, é extremamente provável que o sistema fique enredado”.

Embora o enredamento possa teoricamente parecer bastante fácil de realizar, consegui-lo em cenários experimentais é de facto muito difícil. As investigações demonstraram que é particularmente desafiante em grandes sistemas quânticos, como os sistemas compostos por 18 qubits. O principal objetivo do trabalho atual da Ma e dos seus associados era obter uma melhor compreensão das dificuldades associadas à deteção de emaranhamento em grandes sistemas.

Utilização de formulação matemática

“Os investigadores aperceberam-se gradualmente que embora a preparação do estado enredado para um grande sistema pudesse ser simples, a deteção do enredado poderia ser extremamente desafiante na prática”, explicou Ma. “No nosso trabalho, estabelecemos uma formulação matemática para quantificar a eficácia de uma técnica de deteção de emaranhamento. Utilizamos uma distribuição adequada do estado quântico, utilizamos o rácio de estado enredado detetável para quantificar a sua eficácia, e também quantificamos a eficiência de um método de deteção de enredamento através do número de observáveis necessários para esta técnica”.

Ma e os seus associados examinaram primeiro aquele que é, sem dúvida, o protocolo de deteção de enredamento mais simples disponível hoje em dia, chamado “emaranhamento de testemunhas”. Eles revelaram que a capacidade deste protocolo de detetar emaranhamento diminui por um duplo valor exponencial à medida que o sistema se torna maior.

Os cientistas descobriram mais tarde que esta redução na eficácia ligada ao tamanho de um sistema também afetou outros protocolos de deteção de emaranhamento. Após uma série de considerações teóricas, eles poderiam estender as suas observações do desempenho do método das testemunhas de enredamento a protocolos de enredamento arbitrários que se baseiam em medições de estado quântico de uma única cópia.

“Para um estado aleatório associado ao ambiente, qualquer protocolo de deteção de enredamento com realização de uma única cópia é ineficiente ou ineficaz”, declarou Ma. “Ineficiente significa que o protocolo se baseia na medição de um número exponencial de observáveis, e ineficaz significa que a taxa de sucesso do enredamento é duplamente baixa exponencialmente”.

Como observar emaranhados numa grande escala

Basicamente, Ma e os seus colegas mostraram que para observar o emaranhamento em grande escala, os cientistas devem ser capazes de controlar todas as interações num sistema com alta precisão e compreender quase toda a informação relativa às mesmas. Quando existe muita incerteza em relação ao sistema, portanto, a probabilidade de detetar o seu enredamento é extremamente pequena, mesmo que se tenha quase a certeza da sua ocorrência.

“Mostrámos que nenhum protocolo de deteção de emaranhamento é simultaneamente eficiente e eficaz”, explicou Ma. “Isto pode ajudar na conceção de protocolos de deteção de enredamento no futuro. Entretanto, a deteção de enredamento em grande escala pode ser um bom indicador para comparar diferentes sistemas informáticos quânticos. Por exemplo, quando um grupo de laboratório afirma que desenvolve um sistema de centenas de quantum, deve detetar o emaranhamento. Caso contrário, não controlaram suficientemente bem o sistema”.

Geralmente, os resultados recolhidos por esta equipa de cientistas destacam a presença de um troca na eficiência e eficácia das técnicas de deteção de emaranhamento existentes. Além disso, oferecem uma visão valiosa sobre as razões pelas quais a deteção de emaranhamento em sistemas quânticos de grande escala e ruidosos é um desafio tão grande.

“O nosso resultado não nos impede de conceber um protocolo que seja simultaneamente eficiente e eficaz quando o sistema é bem controlado (ou seja, o ambiente acoplado é relativamente minúsculo)”, acrescentou Ma. “Atualmente, temos apenas protocolos de deteção de enredamento que funcionam bem para estados puros, como testemunhas de enredamento, e protocolos que funcionam para grandes ambientes à custa de custos exponenciais. Observámos que ainda falta um protocolo de deteção de enredamento que funcione para a dimensão de ambiente moderado com um custo relativamente baixo, e agora tentaríamos desenvolver um”.

Leia o artigo original em: PHYS.

Leia mais: Dois Cristais de Tempo Foram Conectados com Sucesso Pela Primeira Vez