O emaranhamento quântico é um processo pelo qual duas partículas se emaranham e permanecem conectadas ao longo do tempo, mesmo quando separadas por grandes distâncias. A detecção desse fenômeno é de importância crucial tanto para o desenvolvimento da tecnologia quântica quanto para o estudo da física quântica de muitos corpos.
Pesquisadores da Tsinghua realizaram recentemente um estudo explorando as possíveis razões pelas quais a detecção confiável e eficiente de emaranhamento em sistemas complexos e “ruidosos” muitas vezes provou ser muito desafiadora. Suas descobertas, publicadas na Physical Review Letters, sugerem a existência de uma compensação entre a eficácia e a eficiência dos métodos de detecção de emaranhamento.
“Mais de 20 anos atrás, os pesquisadores descobriram que a maioria dos estados quânticos estão emaranhados”, disse Xiongfeng Ma, um dos pesquisadores que realizou o estudo, à Phys.org.
“Isso significa que, por exemplo, se conseguirmos construir um sistema de 100 qubits, digamos, um sistema de computação quântica supercondutor ou de armadilha de íons, esse sistema evoluirá por um tempo, durante o qual os qubits interagem extensivamente entre si. Claro, haverá erros, portanto, para manter um bom controle coerente, isolamos razoavelmente o sistema do ambiente. Contanto que a pureza (quantificando a eficácia do nosso esforço de isolamento) não seja exponencialmente pequena com o número de qubits, o sistema é altamente susceptível de ser emaranhado.”
Embora o emaranhamento possa teoricamente parecer bastante simples de perceber, alcançá-lo em ambientes experimentais é de fato muito difícil. Estudos mostraram que é particularmente difícil em grandes sistemas quânticos, como sistemas compostos por 18 qubits. O principal objetivo do trabalho recente de Ma e seus colegas foi obter uma melhor compreensão dos desafios associados à detecção de emaranhamento em grandes sistemas.
“Os pesquisadores gradualmente perceberam que, embora a preparação do estado emaranhado para um sistema grande possa ser fácil, a detecção do emaranhamento pode ser muito desafiadora na prática”, explicou Ma. “Em nosso trabalho, estabelecemos uma formulação matemática para quantificar a eficácia de um método de detecção de emaranhamento. Empregamos uma distribuição de estado quântico adequada, usamos a proporção de estado emaranhado detectável para quantificar sua eficácia e também quantificamos a eficiência de um método de detecção de emaranhamento pelo número de observáveis necessários para este método.”
Ma e seus colegas examinaram pela primeira vez o que é indiscutivelmente o protocolo de detecção de emaranhamento mais direto disponível hoje, conhecido como testemunhas de emaranhamento. Eles mostraram que a capacidade desse protocolo de detectar emaranhamento diminui em um valor exponencial duplo à medida que o sistema aumenta.
Os pesquisadores descobriram mais tarde que essa redução na eficácia ligada ao tamanho de um sistema também afetou outros protocolos de detecção de emaranhamento. Após uma série de considerações teóricas, eles foram capazes de estender suas observações sobre o desempenho do método de testemunhas de emaranhamento para protocolos de emaranhamento arbitrários que dependem de medições de estado quântico de cópia única.
“Para um estado aleatório acoplado ao ambiente, qualquer protocolo de detecção de emaranhamento com realização de cópia única é ineficiente ou ineficaz”, disse Ma. “Ineficiente significa que o protocolo depende da medição de um número exponencial de observáveis e ineficaz significa que a taxa de sucesso do emaranhamento é duplamente exponencialmente baixa.”
Essencialmente, Ma e seus colegas mostraram que, para observar o emaranhamento em larga escala, os pesquisadores devem ser capazes de controlar todas as interações em um sistema com alta precisão e conhecer quase todas as informações sobre elas. Quando há muita incerteza sobre o sistema, portanto, a probabilidade de detectar seu emaranhamento é muito pequena, mesmo que se tenha quase certeza de sua ocorrência.
“Provamos que nenhum protocolo de detecção de emaranhamento é eficiente e eficaz”, explicou Ma. “Isso pode ajudar no projeto de protocolos de detecção de emaranhamento no futuro. Enquanto isso, detectar emaranhamento em grande escala pode ser um bom indicador para comparar diferentes sistemas de computação quântica. Por exemplo, quando uma equipe de laboratório afirma ter construído um sistema de centenas de qubits , eles devem detectar o emaranhamento. Caso contrário, eles não controlaram o sistema bem o suficiente.”
No geral, as descobertas reunidas por esta equipe de pesquisadores destacam a existência de uma compensação na eficiência e eficácia dos métodos de detecção de emaranhamento existentes. Além disso, eles oferecem informações valiosas sobre as razões pelas quais a detecção de emaranhamento em sistemas quânticos ruidosos e de grande escala é tão difícil.
“Nosso resultado não nos impede de projetar um protocolo que seja eficiente e eficaz quando o sistema é bem controlado (ou seja, o ambiente acoplado é relativamente pequeno)”, acrescentou Ma. “Atualmente, temos apenas protocolos de detecção de emaranhamento que funcionam bem para estados puros, como testemunhas de emaranhamento, e protocolos que funcionam para grandes ambientes às custas de um custo exponencial. Percebemos que um protocolo de detecção de emaranhamento que funciona para tamanho de ambiente moderado com relativamente baixo custo ainda está faltando, e agora gostaríamos de tentar desenvolver um.”
Publicado em 25/12/2022 00h22
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