A vantagem quântica é um tema quente, com vários experimentos se aproximando (e alguns até ultrapassando) o ponto em que uma tecnologia quântica tem um desempenho melhor do que seu predecessor clássico. Mas com que frequência surge a vantagem quântica e em que circunstâncias isso é possível? Estas são algumas das questões que David Arvidsson-Shukur, Jacob Chevalier Drori e Nicole Yunger Halpern exploraram em um artigo recente no Journal of Physics A, que (como Physics World) é publicado pela IOP Publishing.
Aqui, Yunger Halpern e Arvidsson-Shukur descrevem suas pesquisas, seus objetivos e seus planos para testar suas previsões experimentalmente.
Qual foi a motivação de sua pesquisa?
As probabilidades governam muitos aspectos do nosso mundo, desde admissões em universidades a terremotos e jogos de pôquer em família. Essas probabilidades cotidianas têm primos exóticos conhecidos como quase-probabilidades que são usadas para descrever observáveis quânticos, como a posição e o momento de um elétron (que não pode ser descrito usando uma distribuição de probabilidade conjunta porque os observáveis são incompatíveis, sendo representados por operadores que não comutam). As quase-probabilidades se assemelham às probabilidades porque somam um. No entanto, eles podem assumir valores negativos e irreais, bem como positivos. Esses valores são chamados de ?não clássicos?, pois são inacessíveis às probabilidades que governam o mundo clássico.
Foto de Nicole Yunger Halpern
Explorador de quase-probabilidade: Nicole Yunger Halpern. (Cortesia: Nicole Yunger Halpern)
Recentemente, foi demonstrado que valores não clássicos de uma quase-probabilidade específica fundamentam alguns tipos de “vantagem quântica” – isto é, a capacidade de algumas tecnologias quânticas de superar suas contrapartes clássicas em computação, medição e termodinâmica. Esta quasiprobabilidade especial tem um nome estranho – é chamada de quasiprobabilidade Kirkwood-Dirac, em homenagem a dois físicos do século 20 – mas considerando os sobrenomes de todos os três co-autores neste artigo, não podemos criticar.
Dada a importância dos valores não clássicos da quasiprobabilidade de Kirkwood-Dirac, surgem duas questões naturais: sob quais condições essa quase-probabilidade se comporta de forma anômala? E quão anômalo pode ser seu comportamento? Isso é o que queríamos explorar.
O que você fez no jornal?
Definimos as condições sob as quais a quase-probabilidade de Kirkwood-Dirac assume valores não clássicos. Usando essas condições, pode-se calcular quais experimentos podem exibir certos tipos de vantagens quânticas. Também colocamos um ?teto? na quantidade de não-clássicaidade que uma distribuição de quasiprobabilidade de Kirkwood-Dirac pode conter.
Qual foi a descoberta mais interessante ou importante?
As quasiprobabilidades não clássicas de Kirkwood-Dirac (e, portanto, as vantagens quânticas alcançáveis com elas) acabam sendo mais raras do que se esperava anteriormente. A quasiprobabilidade de Kirkwood-Dirac é definida em termos de observáveis, como posição e momento, ou componentes de spin. Os pesquisadores acreditavam anteriormente que, sempre que esses observáveis deixavam de comutar, a quase-probabilidade assumiria valores não clássicos. Mas nossa pesquisa mostra que as quase-probabilidades não clássicas de Kirkwood-Dirac são mais estranhas do que a incerteza quântica.
Por que esta pesquisa é significativa?
Por razões práticas e fundamentais interligadas. Estamos no meio da segunda revolução quântica, na qual a física quântica está sendo aplicada para superar as tecnologias cotidianas em processamento de informações, segurança, medição, comunicação e muito mais. Provou-se que as quase-probabilidades não clássicas de Kirkwood-Dirac fundamentam algumas dessas vantagens quânticas.
Nosso trabalho revela as condições sob as quais essa quase-probabilidade se torna não clássica e, portanto, também as condições sob as quais a física quântica pode trazer vantagens para tecnologias e protocolos. Nossos resultados podem ser usados para projetar experimentos que alavancam recursos quânticos. Além disso, identificar o que capacita os recursos quânticos ajuda a revelar como o mundo quântico difere do clássico em um sentido fundamental.
O que você fará em seguida?
Estamos colaborando com o laboratório de Aephraim Steinberg na Universidade de Toronto, Canadá. Nossos colaboradores experimentais estão usando fótons para medir uma propriedade de um cristal e também medindo uma quase-probabilidade de Kirkwood-Dirac que descreve seu experimento. A propriedade do cristal que eles estão estudando pode ser inferida de forma mais eficiente quando essa quase-probabilidade é negativa ou irreal. Portanto, o experimento sinaliza que uma quasiprobabilidade Kirkwood-Dirac não clássica é a base da capacidade dos recursos quânticos de aprimorar nossas habilidades de medição. Esperamos que este experimento de prova de princípio leve a mais usos de nosso trabalho em sensoriamento e outras tecnologias quânticas.
Publicado em 19/06/2021 15h31
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