Novo alfabeto permite comunicação quântica a velocidade da luz

Com informações da Universidade de Viena - 16/09/2019

Maria escreve uma mensagem para João usando o spin de um elétron que viaja em uma velocidade próxima à velocidade da luz. Se Maria e João usarem o procedimento usual para ler o spin (representado pelo alfabeto latino padrão), João não poderá decodificar a mensagem e a comunicação falhará. Se eles usarem uma nova definição da rotação do elétron (representada como o alfabeto modificado), a mensagem será lida corretamente e eles poderão usar o elétron para se comunicar.
[Imagem: Flaminia Giacomini]

Comunicação quântica

A teoria da informação quântica se baseia na possibilidade de escrever mensagens em uma partícula quântica e lê-las de maneira confiável.

Se, no entanto, a partícula é relativística, o que significa que ela se move com velocidades próximas à velocidade da luz, é impossível decodificar a mensagem sem ambiguidade usando as técnicas usadas hoje, e a comunicação falha.

Pelo menos falhava até agora. Pesquisadores da Universidade de Viena e da Academia Austríaca de Ciências desenvolveram uma forma de decodificar de forma confiável mensagens quânticas transmitidas em velocidades extremamente altas.

Isso abre novas possibilidades de aplicações tecnológicas em informação quântica e comunicação quântica.

Comunicação a velocidade da luz

Imagine a seguinte situação: Maria e João querem trocar uma mensagem usando uma propriedade de uma partícula quântica, digamos o spin de um elétron, que é uma forma intrínseca da rotação dessas partículas. João precisa da mensagem de Maria o mais rápido possível, de forma que Maria tem que enviar o elétron na velocidade máxima, muito próximo da velocidade da luz. Dado que Maria tem o elétron em seu laboratório, em um local específico, o princípio da incerteza de Heisenberg proíbe que a velocidade do elétron seja definida com precisão.

Esse novo "alfabeto quântico" será crucial para as transmissões quânticas via satélite, que já estão em testes.
[Imagem: USTC]

Quando o elétron viaja a uma velocidade extremamente alta, a interação entre a relatividade especial e a física quântica faz com que o spin e a velocidade do elétron se entrelacem. Devido a essa correlação, que é mais forte do que é classicamente possível, João não consegue ler o spin com o método padrão.

Será que é possível que Maria e João possam melhorar sua estratégia de comunicação?

Flaminia Giacomini e seus colegas obtiveram essa melhoria introduzindo uma alternativa ao alfabeto padrão usado por Maria e João. A técnica garante que a mensagem, escrita por Maria e lida por João, possa ser decodificada sem ambiguidade, mesmo quando a partícula se comporta tanto de acordo com a mecânica quântica, por causa do princípio da incerteza de Heisenberg, quanto da relatividade especial, devido à sua velocidade muito alta.

Novo alfabeto quântico

O novo alfabeto consiste em uma nova definição do spin das partículas quânticas que se movem muito rapidamente. Assim, a técnica modifica tanto a maneira como Maria escreve a mensagem, quanto a maneira como João a lê. A chave para esta técnica é uma "tradução" do modo como a mensagem é escrita e lida, entre o alfabeto padrão, usado quando o elétron está em repouso, e o novo alfabeto, usado quando o elétron viaja muito rápido.

"Estes resultados são indicativos de que esse procedimento de tradução pode desvelar novas aplicações em informações quânticas relativísticas," disse Flaminia.

Por exemplo, essa técnica pode ser útil na comunicação quântica via satélite, na qual uma partícula que carrega uma mensagem precisa viajar rapidamente entre dois pontos distantes.

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