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Por que qudits são melhores que qubits

Por que qudits são melhores que qubits
Fótons de alta dimensionalidade gerados dentro de um chip são manipulados e transmitidos pelo sistema comum de telecomunicações. [Imagem: Michael Kues/INRS University]

QuDit contra quBit

Pesquisadores do Instituto Nacional de Pesquisa Científica do Canadá surpreenderam seus colegas de todo o mundo ao criar um sistema fotônico extremamente avançado em termos de aplicação, mas fabricado usando apenas componentes de telecomunicações disponíveis comercialmente e, mais importante, no interior de um chip - os componentes fotônicos tipicamente são muito maiores e há muitos desafios para a sua miniaturização.

Michael Kues e seus colegas demonstraram que os fótons podem se tornar um recurso quântico acessível e poderoso quando gerados na forma de quDits emaranhados por cores.

Se o mais conhecido qubit pode conter dois níveis de energia, um qutrit pode conter 3 níveis e assim por diante, onde cada nível representa um dado. Para resumir a nomenclatura, os físicos definiram que um quDit pode conter "D" níveis de energia.

Neste novo sistema, os bits quânticos assumem vários níveis de energia apresentando uma multiplicidade de cores simultaneamente por meio do fenômeno quântico do entrelaçamento (ou emaranhamento).

Qudit com múltiplas cores

O sistema usa um chip fotônico pequeno e barato fabricado através de processos semelhantes aos usados para fabricar os tradicionais circuitos integrados eletrônicos.

Usando um ressonador em anel dentro de um chip, energizado por um laser, os fótons são emitidos em pares que compartilham um estado quântico complexo, com uma série de componentes de frequência sobrepostos: os fótons têm várias cores ao mesmo tempo, e as cores de cada fóton em um par estão ligadas (emaranhadas), independentemente da distância que os separe após sua emissão.

Com cada frequência - ou cor - representando uma dimensão - ou um dado -, os fótons são gerados no chip como um estado quântico de alta dimensionalidade - um quDit.

Até agora, a computação quântica tem-se concentrado principalmente nos qubits, sistemas bidimensionais com dois estados sobrepostos (por exemplo, 0 e 1 ao mesmo tempo, em contraste com os bits clássicos, que são 0 OU 1 em cada momento).

Trabalhar no domínio da frequência permite a superposição de muitos outros estados, aumentando a quantidade de informação em cada fóton. Por exemplo, um fóton de alta dimensionalidade pode ser vermelho E amarelo E verde E azul, embora os fótons utilizados nesta demonstração sejam infravermelhos, para compatibilidade com a tecnologia usada nas telecomunicações.

Por que qudits são melhores que qubits
Fotos dos protótipos, construídos com componentes comerciais. À direita, a interligação com o sistema de fibras ópticas. [Imagem: Michael Kues/INRS University]

9.000 dimensões

A equipe demonstrou um sistema quântico com pelo menos 100 dimensões usando esta abordagem, e afirma que sua tecnologia é prontamente ampliável para criar sistemas de dois quDits com mais de 9.000 dimensões. Isso seria comparável a sistemas tradicionais de 12 qubits, só que estes exigem plataformas significativamente mais caras e complexas, e não chips comprados no comércio.

O uso do domínio de frequência para os estados quânticos também permite sua fácil transmissão e manipulação nos sistemas atuais de fibra óptica.

"Ao combinar os campos da óptica quântica e o processamento óptico ultrarrápido, mostramos que a manipulação de alta dimensionalidade destes estados é realmente possível usando elementos de telecomunicações padrão, como moduladores e filtros de frequência", ressaltou o professor José Azaña, coordenador da equipe.

Bibliografia:

On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control
Michael Kues, Christian Reimer, Piotr Roztocki, Luis Romero Cortés, Stefania Sciara, Benjamin Wetzel, Yanbing Zhang, Alfonso Cino, Sai T. Chu, Brent E. Little, David J. Moss, Lucia Caspani, José Azaña, Roberto Morandotti
Nature
Vol.: 546, 622-626
DOI: 10.1038/nature22986




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