Ao investigar os efeitos sutis da mecânica quântica, todos os parâmetros no sistema e suas medidas precisam ser ajustados com precisão para observar o resultado que você espera. Então, o que acontece quando você orienta tudo para detectar o que menos espera? Pesquisadores do MIT e da Universidade de Purdue, nos EUA, adotaram exatamente essa abordagem e descobriram que podiam amplificar sinais quânticos por um fator de 30 enquanto mudavam condicionalmente a fase relativa de um fóton de Pi / 80 para Pi / 2. Os resultados poderiam fornecer o elo que faltava que aproxima várias tecnologias de redes quânticas mais próximas do uso prático.
Os protocolos da tecnologia quântica geralmente buscam maximizar os pontos fortes da interação, mas a preparação desses sistemas emaranhados pode ser muito difícil. “Fizemos a pergunta, podemos transformar interações fracas em interações muito fortes de alguma forma?” explica Vladan Vuletic, professor de física no MIT. “Você pode, e o preço é que eles não acontecem com frequência”.
Os efeitos que Vuletic e colegas observam dependem dos fatores que alimentam os “valores de expectativa” dos experimentos quânticos. Os valores de expectativa descrevem o resultado médio de um cenário quântico e equivale ao produto de cada valor possível e sua probabilidade. Vuletic e seus colaboradores concentraram seus estudos em cenários onde a média é dominada por eventos raros, como uma loteria em que todos ganham uma pequena quantia em média, embora, na verdade, apenas algumas pessoas ganhem quantias enormes. Na mecânica quântica, a luz às vezes também toma o caminho menos percorrido e, como mostram os pesquisadores, isso realmente pode fazer toda a diferença.
Os pesquisadores observaram as interações entre os fótons – um fóton de sinal e um fóton auxiliar – seguindo diferentes caminhos através de um conjunto de átomos frios em uma cavidade. Cada fóton pode interagir com os átomos, e essa interação tem a assinatura de como o outro fóton interagiu, dando uma interação indireta entre os dois fótons. As interações deixam sinais indicadores no fóton, como uma mudança de fase, que enquanto zero na ressonância se afasta da ressonância positiva ou negativa, dependendo de qual lado da ressonância do sistema os parâmetros estão sintonizados.
Mahdi Hosseini, da Universidade de Purdue, explica que eles observaram uma mudança de fase média enquanto estudavam a interação. “Lembro-me de que Vladan fez um cálculo uma noite e o enviou para nós, e olhamos para ele e, inicialmente, achei que não podia funcionar”, diz Hosseini. O cálculo sugeriu resultados surpreendentes para um regime em que havia uma alta probabilidade de uma medição auxiliar de fótons associada a uma baixa mudança de fase no feixe de sinal (como pode ser o caso próximo à ressonância). Nas raras ocasiões em que essa não é a medida registrada para o fóton auxiliar, a mudança de fase para o feixe de sinal deve ser grande para que o produto com baixa probabilidade ainda atenda ao valor esperado.
Além disso, através desse fenômeno, os parâmetros selecionados para medir o fóton auxiliar podem afetar bastante o resultado da mudança de fase do fóton de sinal, apesar das fracas interações entre os dois, algo que os pesquisadores descrevem como “controle de fóton anunciado”. Com cuidadosa manipulação dos parâmetros do sistema para ajustar o regime dos experimentos, os pesquisadores foram capazes de observar os efeitos que a teoria havia previsto.
“Ficamos mais empolgados do que surpresos”, diz Hosseini. “Ingenuamente, quando você olha para a média, não espera ver nenhuma mudança de fase na ressonância, nem mesmo uma pequena mudança de fase; espera não ver nenhuma. Mas acontece que, mudando o processo de medição, você pode mudar isso em estados altamente interativos, e isso foi surpreendente”.
Os pesquisadores apontam que protocolos que também amplificam sinais foram demonstrados em outros sistemas através de “amplificação silenciosa” e “medições fracas”. Esses protocolos oferecem aprimoramentos por fatores entre dois e cinco, com uma probabilidade muito pequena. “Se a fidelidade vezes a probabilidade é muito menor que 50%, não é realmente útil para detectar, por exemplo”, explica Hosseini. Por outro lado, Hosseini, Vuletic e seus colaboradores foram capazes de demonstrar mudanças de fase até ? / 2, onde a mudança de fase média é ? / 80 e amplificação do número de fótons por um fator de cerca de 30. Embora esses eventos permaneçam raros, a probabilidade é mais promissor para aplicações práticas.
“Antes, as pessoas pensavam nessa amplificação silenciosa e em qualquer mudança de fase como campos completamente díspares”, acrescenta Vuletic. “Mostramos que é a mesma coisa, e você pode ter uma pequena alteração de parâmetros para passar das mudanças de fase para obter ganhos”.
Existem muitas tecnologias de rede quântica emergentes que enfrentam um obstáculo na ausência de uma tecnologia prática para amplificar sinais, como comunicação quântica de longa distância ou ao conectar vários computadores quânticos, cada um com um número gerenciável de qubits para aumentar a capacidade de processamento . “Perdas e falta de coerência são sempre um problema”, diz Vuletic.
Enquanto o Vuletic agora trabalha em “superátomos” que podem aumentar o acoplamento de fótons, o trabalho de Hosseini está abordando o mundo mais confuso do estado sólido para replicar o fenômeno em cristais com íons de terras raras. Esses sistemas não são tão limpos porque não é possível ter um conhecimento tão preciso do ambiente ao redor dos íons quanto para conjuntos de átomos totalmente homogêneos. No entanto, se o princípio puder ser demonstrado nesses sistemas, ele poderá oferecer uma base mais prática para aplicativos e até multiplexar os efeitos para adicionar probabilidades para cada cenário.
Publicado em 20/05/2020 20h01
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