Pesquisadores do mundo todo estão empenhados no desenvolvimento de novos sistemas quânticos para sensoriamento, comunicação, computação e controle, que prometem superar os sistemas tradicionais. Criar estados quânticos estáveis, mensuráveis e distinguíveis, que seriam o núcleo de qualquer sistema desse tipo, é uma tarefa complexa.

Os estados quânticos possuem propriedades únicas que podem ser exploradas para o desenvolvimento de novos sistemas de processamento de informação. Duas propriedades-chave, estabilidade e distinguibilidade, são difíceis de alcançar, no entanto. A extração de informação de um sistema quântico depende da distinguibilidade dos estados quânticos, uma propriedade intrínseca associada à ortogonalidade. Contudo, não existem dois estados gaussianos (uma classe de estados quânticos amplamente estudada) ortogonais, e isso resulta em um erro inevitável ao tentar distingui-los. 

Além disso, os dispositivos quânticos atuais tendem a permanecer estáveis apenas por uma fração de segundo e exigem protocolos complexos para distinguir os estados. Agora, pesquisadores do MIT e da Universidade de Ferrara descobriram uma nova abordagem para criar estados facilmente distinguíveis, o que pode ajudar a viabilizar o desenvolvimento desses novos dispositivos baseados em computação quântica.

A nova abordagem é descrita em um artigo publicado hoje no periódico Physical Review A , de autoria de Moe Z. Win e Peter L. Falb, do MIT, em colaboração com Andrea Giani e Andrea Conti, da Universidade de Ferrara. A equipe encontrou uma maneira de traduzir entre estados quânticos de luz e variedades algébricas (uma estrutura matemática da álgebra abstrata), tornando a análise mais gerenciável ao reduzi-la a equações matemáticas solucionáveis.

“Os sistemas quânticos podem oferecer um desempenho significativamente melhor do que seus equivalentes clássicos”, diz Win, “mas isso tem um custo”. Para desenvolver dispositivos práticos para produzir e detectar diferentes estados, “é preciso projetar cuidadosamente os estados quânticos nos quais eles codificam informações”. 

Os computadores tradicionais normalmente usam diferentes voltagens em um dispositivo de estado sólido para codificar uns e zeros, enquanto os sistemas ópticos podem usar a presença ou ausência de um pulso de luz. Em dispositivos quânticos, os estados podem estar relacionados ao estado de spin de um único átomo ou ao nível de excitação de um grupo de elétrons.

Win acrescenta que "temos estudado como projetar estados quânticos distinguíveis, o que se traduz diretamente em melhor desempenho para sensoriamento e comunicação". No jargão da área, eles estão aprimorando a ortogonalidade — ou seja, a distinguibilidade — de diferentes estados.

Os tipos específicos de estados estudados nesta análise teórica estavam relacionados aos níveis de energia dos fótons, ou partículas de luz. Giani explica que eles usaram uma operação chamada variação de fótons. Esta pode assumir duas formas: adição de fótons, na qual os fótons são excitados para um estado de energia mais alto, ou subtração de fótons, na qual os fótons são aniquilados (ou seja, removidos do sistema). Essas operações alteram o estado quântico de estados gaussianos para estados não gaussianos; são os estados não gaussianos que parecem ser mais úteis, concluiu a equipe. 

“O domínio dos estados não gaussianos é bastante amplo”, diz Giani, “mas, dentre eles, estamos buscando estados não gaussianos que sejam mais fáceis de implementar com as tecnologias atuais, porque, se quisermos fazer a transição para o mundo quântico, precisamos levar em conta os desafios experimentais realistas.”

Ao contrário de alguns tipos de tecnologias de ponta que estão sendo estudadas para possíveis aplicações quânticas, explica Giani, "esses tipos de estados variados por fótons já foram produzidos em laboratório, e há muito interesse nesse tipo de operação".

Segundo Conti, esses tipos de estados são relativamente novos e, portanto, "havia a necessidade de uma caracterização teórica para esses estados". A caracterização teórica que essa equipe desenvolveu, baseada em propriedades matemáticas subjacentes, possibilita a criação de estados com níveis mais altos de distinção. 

Com este trabalho, diz Win, “temos uma teoria que nos dá um modelo para projetar esses estados não gaussianos, em vez de simplesmente 'tentar isso e aquilo e torcer para que sejam minimamente distinguíveis'. Nossa teoria nos diz exatamente como projetar estados não gaussianos ortogonais.”

As descobertas resultam da conexão entre as equações algébricas e a física subjacente, diz Win: "Essa foi a conexão importante entre diferentes disciplinas — trazer a geometria algébrica para a discussão." 

“As equações a serem resolvidas para determinar a ortogonalidade” dos estados quânticos “acabaram sendo equações polinomiais”, diz Falb. “Por acaso, existia a matemática apropriada para resolvê-las.”

Agora que os princípios foram estabelecidos por meio deste trabalho, a implementação deve ser relativamente simples, afirmam os pesquisadores. Já existem algumas configurações ópticas que podem ser usadas para implementar esses tipos de estados. 

“Em princípio”, observa Giani, “você pode simplesmente inserir os parâmetros encontrados pela resolução dessas equações diretamente em seus aparatos físicos e produzir esses tipos de estados. Não acho que isso exija alguma tecnologia mais avançada.” 

Conti acrescenta que "assim que este artigo for publicado, esperamos que os experimentalistas possam testar esses métodos".

Mas isso é só o começo, enfatiza Win. "Estamos ganhando impulso, e isso é muito empolgante", diz ele. "A abordagem que estamos adotando aqui é fazer perguntas mais gerais do que simplesmente 'aqui está uma configuração específica, como você a ajusta para obter um ganho de desempenho?' Em vez disso, estamos analisando uma classe de problemas de projeto de sinal e, em seguida, encontrando as chaves que realmente os resolvem, para que, com sorte, a resposta não se aplique apenas a uma configuração específica, mas a algo significativamente mais amplo."