Efeito anti-borboleta protege dados de computadores quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/07/2022

É uma demonstração prática de efeitos estranhos, que só acontecem no mundo quântico.
[Imagem: LANL]

Guardar informações no passado

Um enigmático "anti-efeito borboleta quântico" pode resolver um problema experimental de longa data na física e ainda estabelece um método para comparar o desempenho de diferentes tipos de computadores quânticos.

Um dos maiores problemas dos computadores quânticos é a perda de dados nos qubits, que acontece por qualquer tipo de "ruído", ou interferência, vindo do ambiente ao redor do computador.

Esse ruído gera um fenômeno conhecido como decoerência, ou perda da coerência quântica - e a coerência controla cada dado guardado nos qubits, permitindo que a computação quântica funcione.

O que a equipe descobriu agora é que é possível criar uma proteção para os qubits usando outros fenômenos igualmente enigmáticos da física quântica: O caos quântico e a reversão temporal, essencialmente fazendo o sistema evoluir para frente e para trás no tempo.

"Nosso método, que se baseia no efeito quântico anti-borboleta, que descobrimos há dois anos, evolui um sistema para frente e para trás ao longo do tempo em um único loop, então podemos aplicá-lo a qualquer sistema com reversão no tempo da dinâmica, incluindo computadores quânticos e simuladores quânticos, usando átomos frios," disse o pesquisador Bin Yan, do Laboratório Nacional Los Alamos, nos EUA.

A borboleta do efeito físico (borboleta de Lorenz) e a borboleta de Bradbury, um fenômeno correlato que aparece no conto de ficção científica Um Som de Trovão, de Ray Bradbury, onde o herói viaja ao passado, pisa em uma borboleta, e encontra um mundo totalmente diferente ao retornar.
[Imagem: Joseph Harris et al. - 10.1103/PhysRevLett.129.050602]

Efeito anti-borboleta

O efeito borboleta é bem conhecido, sobretudo pela sua descrição metafórica, que afirma que as mudanças criadas por uma borboleta batendo suas asas podem eventualmente influenciar o clima semanas depois em outro continente.

Um pouco mais tecnicamente, esse efeito, que faz parte da teoria do caos, estabelece que pequenas mudanças nas condições iniciais de um sistema podem ter grandes efeitos ao longo do tempo.

Há dois anos, porém, a equipe do professor Yan descobriu que, no reino quântico, o efeito borboleta não impera - na verdade, o que há é um anti-efeito borboleta: Ao simular partículas subatômicas voltando no tempo, os pesquisadores interferiram com o estado quântico dessas partículas no momento t - 1 (ou seja, no passado); ocorre que, quando elas voltam ao momento t (presente), elas aparecem em grande parte inalteradas, como se a realidade fosse autocurativa.

Assim, ao contrário dos bem conhecidos paradoxos das viagens no tempo, em que a interferência causada pelo viajante poderia impedir sua própria viagem, o anti-efeito borboleta garante que a realidade (quântica) se corrige, voltando ao estado original - em contraste, um sistema de física clássica detona a informação de forma irrecuperável durante o loop de ida e volta no tempo.

A equipe chama o fenômeno de efeito anti-borboleta (e não anti-efeito borboleta) porque ele equivale a "pisar metaforicamente" na borboleta, para evitar os danos que ela causaria, como na ficção de Ray Bradbury (veja imagem acima). E eles logo perceberam que esse fenômeno poderia ser usado na computação, tanto para proteger os qubits quanto para proteger as próprias informações de eventuais bisbilhoteiros.

"Descobrimos que, mesmo que um intruso execute medições que danifiquem o estado fortemente emaranhado, ainda podemos recuperar facilmente as informações úteis porque esse dano não é ampliado por um processo de decodificação. Isso justifica conversas sobre a criação de um hardware quântico que será usado para ocultar informações," disse Yan.

Alice prepara seu qubit e aplica a informação unitária U para este e muitos outros qubits. Bob mede seu qubit em qualquer base, invertendo o qubit para o estado desconhecido para Alice. Alice ainda consegue reconstruir suas informações por meio de um único Ut unitário de decodificação.
[Imagem: Joseph Harris et al. - 10.1103/PhysRevLett.129.050602]

Embaralhamento de informações

O que a equipe fez agora foi confirmar que o efeito anti-borboleta pode mesmo ser usado para proteger os qubits contra a perda de dados. Para isso, eles usaram o computador quântico da IBM, que está disponível pela internet.

A demonstração envolve um outro conceito, conhecido como embaralhamento de informações, gerada conforme o caos quântico espalha informações pelo sistema - esse embaralhamento quântico espalha as informações, inicialmente localizadas, em graus de liberdade que crescem exponencialmente conforme ele avança.

Estudado pela primeira vez na física dos buracos negros, o embaralhamento de informações provou ser relevante em uma ampla gama de áreas de pesquisa, incluindo o caos quântico em sistemas de muitos corpos, as transições de fase, o aprendizado de máquina quântica e, claro, a computação quântica.

O problema é que é muito difícil distinguir o embaralhamento de informações da decoerência, que também causa a perda do estado quântico - no nosso caso, o dado armazenado no qubit. Os pesquisadores então desenvolveram um protocolo que usa o efeito anti-borboleta para proteger as informações do que quer que seja.

O protocolo envolve preparar um sistema quântico e um subsistema derivado, evoluir o sistema completo no tempo, induzir uma mudança em um subsistema diferente e, em seguida, evoluir o sistema para trás pelo mesmo período de tempo. Medindo a sobreposição de informações entre os dois subsistemas mostra quanta informação foi preservada pelo embaralhamento e quanta informação foi perdida por decoerência.

"Usando o protocolo simples e robusto que desenvolvemos, podemos determinar o grau em que os computadores quânticos podem efetivamente processar informações, e ele também se aplica à perda de informações em outros sistemas quânticos complexos," disse Yan.

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