Sistemas de sensoriamento e comunicação baseados em fenômenos mecânicos quânticos podem superar em muito os sistemas atuais, em termos de precisão e confiabilidade, e são considerados uma parte essencial do desenvolvimento de redes de próxima geração. Desenvolver sistemas quânticos de informação e decisão que cheguem perto de atender às vantagens quânticas teóricas tem sido um desafio de longa data. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e da Universidade de Ferrara (UniFe) na Itália desenvolveu uma estrutura que pode abrir novas maneiras de levar esses sistemas quânticos até seus limites fundamentais.

A chave para a nova abordagem da equipe é o uso do que é conhecido como estados quânticos não gaussianos. A maioria dos trabalhos sobre sistemas quânticos de detecção e comunicação são baseados em estados gaussianos — ou seja, estados do campo eletromagnético que podem ser descritos por modelos gaussianos. No entanto, muitos sistemas quânticos baseados em estados gaussianos inevitavelmente sofrem de limitações que os impedem de atingir a vantagem quântica completa.

A razão pela qual os sistemas quânticos que empregam estados gaussianos dominaram a pesquisa neste campo é porque eles são muito mais fáceis de entender e implementar. Agora, a equipe do MIT e da UniFe surgiu com uma solução que supera as limitações dos estados gaussianos e pode desencadear um salto significativo no desenvolvimento de sistemas quânticos de informação e decisão.

As descobertas foram relatadas recentemente no Journal on Selected Areas in Information Theory , em um artigo do professor do MIT Moe Z. Win, da estudante de pós-graduação da UniFe Andrea Giani (que foi aluna visitante no MIT no ano passado) e da professora da UniFe Andrea Conti.

Ele acrescenta que “espera-se que os sistemas de detecção e comunicação quântica forneçam vantagens significativas em relação às suas contrapartes clássicas”. Por exemplo, os sistemas de detecção quântica podem ser mais sensíveis às variações de um campo eletromagnético do que os clássicos existentes. Esses sistemas quânticos podem ser muito mais poderosos do que quaisquer métodos existentes para inferir quantidades físicas na presença de ruído. Essas capacidades podem ser cruciais para muitas áreas, desde a impressão digital do campo magnético da Terra até o aprimoramento da pesquisa astrofísica.

A base matemática apresentada neste novo trabalho “poderia abrir caminho para o desenvolvimento de sistemas quânticos de informação e decisão que capitalizam as propriedades únicas de estados não gaussianos”, diz Win, que é o Professor Robert R. Taylor no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica do MIT e diretor fundador do Quantum neXus Laboratory. “Agora que estabelecemos a base teórica para a detecção e comunicação quântica usando esses estados, o próximo passo é determinarmos como projetar esses estados de forma otimizada para uma variedade de aplicações”, diz ele.

O novo trabalho propõe uma categoria particular de estados não gaussianos conhecidos como estados gaussianos variados por fótons (PVGSs), que podem ser produzidos com as tecnologias atuais. As descobertas da equipe mostram que esses PVGSs podem de fato aumentar a precisão do sensoriamento quântico, bem como melhorar a confiabilidade das comunicações quânticas. “Nós fornecemos uma caracterização unificada de PVGSs”, diz Conti, “o que facilita o design de estados quânticos ideais para sensoriamento e comunicações”. A caracterização unificada de estados quânticos não apenas simplifica derivações teóricas, mas também permite implementações práticas. “Acreditamos que os sistemas de sensoriamento e comunicação quânticos que empregam PVGSs se tornarão uma realidade em um futuro próximo”, diz ele.

“Todos os sistemas, clássicos ou quânticos, têm um limite fundamental de desempenho”, diz Win, “e o uso de fenômenos mecânico-quânticos irá desencadear novos limites quânticos” que ultrapassam em muito os limites clássicos. “Nossa filosofia de pesquisa”, ele diz, “é estabelecer tais limites, a partir dos quais desenvolvemos metodologias de design eficientes para sistemas e redes quânticas que sejam razoáveis ??de uma perspectiva de implementação.”

No MIT, Win é um pesquisador principal no Laboratory for Information and Decision Systems e também é afiliado ao Institute for Data, Systems, and Society; à MIT School of Engineering; ao MIT Schwarzman College of Computing; e ao Institute for Soldier Nanotechnologies. Anteriormente, ele trabalhou nos AT&T Research Laboratories e no Jet Propulsion Laboratory da NASA. Win colabora regularmente com Conti na University of Ferrara, e "nós desenvolvemos um relacionamento bem-sucedido de longo prazo ao longo de várias décadas", ele diz. O objetivo do esforço de pesquisa atual deles é liberar o potencial dos sistemas quânticos de informação e decisão, acelerando sua maturação em direção à utilidade prática.

A pesquisa foi apoiada pela Cátedra Robert R. Taylor no MIT, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, pelo Ministério da Universidade e da Investigação e pela NextGenerationEU da União Europeia.