Emaranhamento quântico desaparece repentinamente

Agência Fapesp e Agência MCT - 15/06/2007

Em artigo na Science, pesquisadores da UFRJ mostram como uma propriedade essencial para o funcionamento de um computador quântico – o emaranhamento – pode desaparecer repentinamente.
[Imagem: Miguel Boyayan]

Futuro da computação

Desde meados da década de 1980, muitos cientistas apostam que a aplicação da física quântica no processamento de informações definirá o futuro da computação, como previu o físico norte-americano Richard Feynman.

Isso porque, em princípio, as leis do universo quântico possibilitariam um desempenho muito superior ao das máquinas atuais.

Mas uma peculiaridade do mundo das partículas subatômicas, comprovada por físicos da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), pode ser uma pedra no caminho do desenvolvimento dos computadores quânticos.

Emaranhamento quântico

Em um artigo publicado em 27 de abril na Science, Luiz Davidovich e seus colegas do Laboratório de Óptica Quântica do Instituto de Física da UFRJ mostraram como uma propriedade essencial para o funcionamento de um computador quântico - o emaranhamento - pode desaparecer repentinamente.

Esse fenômeno faz com que um conjunto de partículas compartilhe de maneira quase telepática certas propriedades, sem nenhuma ligação física entre elas.

Isso só acontece em escala extremamente pequena - próxima do tamanho de um átomo - em que as leis da física clássica dão lugar à mecânica quântica.

Imagine que seja possível emaranhar um par de dados de modo que a soma dos dois seja sempre 7. Enquanto o primeiro dado não for lançado, não se pode saber qual será o número sorteado no segundo.

Mas se o primeiro dado cair com o número 4 para cima é possível afirmar que, ao lançar o segundo dado, o resultado será 3.

Na perspectiva da mecânica quântica, enquanto os dados rolam, a probabilidade de aparecer qualquer um dos números é a mesma. Os físicos interpretam essa situação como se o dado mostrasse os seis números ao mesmo tempo.

Superposição de estados

Essa indefinição, chamada de superposição de estados, está no centro da teoria quântica da informação, que explora efeitos do mundo quântico para armazenar, transmitir e processar informação.

Enquanto os bits de um computador clássico correspondem a um único estado por vez (os famosos 0 ou 1 do sistema binário), os bits de um computador quântico, apelidados de qubits, podem apresentar diferentes estados simultaneamente.

Com isso, um processador composto por bits quânticos (átomos, elétrons ou outras partículas) seria capaz de realizar um número enorme de cálculos ao mesmo tempo, e seu poder dobraria a cada bit adicionado.

Decoerência

A experiência agora realizada pelos cientistas da UFRJ mediu o decaimento do emaranhamento de pares de fótons (os corpúsculos elementares da luz), gerados através da iluminação de um cristal com um feixe de laser.

Eles demonstraram que o emaranhamento pode terminar, sob a ação do ambiente, em um instante finito, subitamente, mesmo quando cada constituinte do par decai de forma suave, em um processo que se completa somente para tempos infinitos.

"Nosso trabalho mostra que o emaranhamento pode terminar subitamente, mais cedo do que se esperaria. Isso coloca um limite fundamental para o tempo de cálculo dos computadores quânticos. Após o desaparecimento do emaranhamento, o computador quântico transforma-se em um computador clássico", explicou o Prof. Davidovich em uma entrevista à agência do notícias do Ministério da Ciência e Tecnologia.

"Esse resultado incentiva também a busca de métodos de cálculo que usem apenas sistemas quânticos mais robustos, para os quais o decaimento súbito não ocorre", completa.

Polarização

No experimento da UFRJ foram gerados pares de fótons com polarizações (direções do campo elétrico) emaranhadas.

Sabe-se que as polarizações dos dois fótons são idênticas, mas a polarização de cada fóton é desconhecida.

Por outro lado, os momentos dos fótons (associados à direção de propagação de cada fóton) foram usados como o ambiente. O circuito óptico utilizado produz uma interação entre a polarização e o momento de cada fóton, o que leva a um decaimento da polarização e à extinção do emaranhamento.

Para o Prof. Davidovich, a publicação do artigo na Science, uma das mais prestigiadas publicações do gênero, traz não só um interesse científico para o estudo.

"A repercussão nacional desse artigo serve, também, para demonstrar que vale a pena investir em laboratórios de pesquisa e que os programas de apoio nacionais, como o Programa Nacional de Núcleos de Excelência (PRONEX) e os Institutos do Milênio, ajudam a criar capacitação científica de alto nível nas várias regiões do País".

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