Grupo do CBPF estuda novo fenômeno da área de informação quântica

Postado em: 11/11/2016

Uma colaboração internacional de pesquisadores – com participação de físicos do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ) – acaba de revelar a existência de um fenômeno ligado à chamada informação quântica, área responsável pelo desenvolvimento de computadores muito mais velozes que os atuais e pela transmissão inviolável de mensagens e códigos.

Para entender os resultados do experimento realizado pelo Grupo de Informação Quântica do CBPF é preciso relembrar atributos básicos da computação. Em um computador clássico – como esses que fazem parte de nosso dia a dia –, um bit de informação só pode assumir, em um determinado instante, um desses dois estados: 0 ou 1. No entanto, na computação quântica, esse mesmo bit tem uma propriedade que, apesar de estranha, é o grande diferencial dessa nova forma de processar informação: ele pode ser 0 e 1 simultaneamente.

Mas essa superposição coerente de estados – como os físicos denominam esse fenômeno – é muito frágil, perdendo-se com facilidade com a mais leve e ligeira interação com o ambiente. Quando isso ocorre, diz-se que houve uma descoerência, ou seja, o estado de superposição perdeu coerência, e, com isso, o bit deixa de ser quântico (superposição de 1 e 0) e passa a ser clássico (1 ou 0).

A superposição – propriedade inerente apenas ao mundo quântico, aquele dos fenômenos nas dimensões atômicas e subatômicas – chama a atenção dos físicos há muito tempo. Ainda em 1935, o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), ganhador do Nobel de 1933, questionou essa propriedade usando um experimento mental. Nele, um gato – preso dentro de uma caixa na qual há um frasco de gás venenoso que tem certa probabilidade de se abrir – poderia estar vivo e morto ao mesmo tempo, por mais absurda que essa situação ‘vivo e morto’ possa parecer.

No mundo quântico, porém, sob certas circunstâncias, a superposição (como o 1 e 0 simultâneos de nosso bit) é um estado corriqueiro, o que permite que uma entidade quântica ocupe dois lugares ao mesmo tempo, ou seja, possa estar aqui e ali simultaneamente.

 

Coerência invariante

A superposição é um fenômeno extremamente importante para os grupos de pesquisa que trabalham com informação quântica. Mas manter um bit quântico – esteja ele representado na forma de um núcleo, uma partícula subatômica, um fóton etc. – em estado coerente, de superposição ou não, não é tarefa trivial, pois requer isolá-lo quase completamente do ambiente. Isso requer técnica e equipamento sofisticados.

Para o Grupo de Informação Quântica, pôr núcleos atômicos – desempenhando o papel de bits quânticos – em estado de superposição é uma tarefa cotidiana. Para simular o novo fenômeno, foram usados, como bits quânticos, núcleos de hidrogênio e carbono presentes em moléculas de clorofórmio - substância usada, no passado, como anestésico.

Essa superposição coerente de núcleos é obtida com o auxílio de um equipamento de ressonância magnética nuclear, cujo princípio de funcionamento é semelhante àqueles usados em exames médicos. Essa máquina emite pulsos de ondas eletromagnéticas (ondas de rádio) sobre uma amostra - no caso, clorofórmio - colocada na presença de um campo magnético fortíssimo e homogêneo.

Depois do pulso, os físicos observavam basicamente duas grandezas temporais: i) o tempo que o núcleo leva para voltar à sua condição inicial, depois de ser excitado pela radiação; ii) o tempo que leva para os núcleos perderem superposição coerente de estados. O primeiro tempo (da ordem segundos) é muito maior que o segundo (milissegundos).

Ou seja, no caso, em milissegundos, a coerência se esvai.

No entanto, três dos teóricos que assinam o artigo da colaboração (Bromley, Cianciaruso e Adesso) propuseram que nem toda a coerência é perdida naquela fração mínima de tempo. Parte dela se mantém constante indefinidamente. Os detalhes desse novo fenômeno foram publicados ano passado na prestigiosa Physical Review Letters (v. 114, p. 210401).

Batizado de ‘coerência temporalmente invariante’, esse fenômeno inédito pode ser entendido como uma quantidade matemática (ou um quantificador matemático da coerência) que se mantém constante quando a superposição está sendo perdida, e o mundo quântico (microscópico) está aos poucos se transformado no mundo clássico (macroscópico). Uma vantagem desse tipo de coerência é que ela não requer qualquer ação sobre o sistema (núcleos, no caso).

 

 Equipamento de RMN do CBPF, onde o experimento de coerência invariante foi realizado
(Crédito: Grupo de Informação Quântica/CBPF)

Emaranhamento e respostas

Essa coerência invariável também ajuda a entender outro fenômeno – tido como o mais esquisito da natureza – essencial para a área de informação quântica: o emaranhamento. Nesse estado, duas ou mais entidades quânticas (átomos, núcleos, partículas, fótons etc.) encontram-se em uma situação tal que, qualquer alteração - até mesmo o ato de observar - em uma delas ‘repercute’ instantaneamente na(s) outra(s), mesmo que elas estejam separadas por distâncias astronômicas.

Por conta dessa “fantasmagórica ação a distância” – como a batizou, ainda na década de 1930, o físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955) –, o emaranhamento garante as propriedades peculiares da computação quântica, bem como da criptografia quântica. Nesta última área, partículas emaranhadas poderiam carregar informação secreta, e, caso uma fosse ‘interceptada’ por um hacker, o emissor da mensagem saberia dessa ‘espionagem’ no mesmo instante.

Assim como praticamente todos os fenômenos novos, a coerência temporalmente invariante carrega consigo dúvidas. Por exemplo, a colaboração internacional – que conta com pesquisadores da Itália, Alemanha e do Reino Unido – ainda não sabe dizer se seria possível usar essa coerência para fazer computação quântica ou em outra aplicação da área de informação quântica.

Um dos autores do artigo, Diogo de Oliveira Soares Pinto, do Instituto de Física de São Carlos, da Universidade de São Paulo, diz que talvez a área que pesquisa os chamados protocolos de processamento da informação – protocolo é um conjunto de instruções tanto para computação quanto comunicação –“possa, sim, tirar proveito dessa invariância temporal da coerência”. Mas o físico enfatiza que, por enquanto, trata-se apenas de uma especulação.

Outro autor do artigo, Ivan dos Santos Oliveira Júnior, líder do Grupo de Informação Quântica do CBPF, tem opinião semelhante: “O melhor que se pode dizer neste momento é que, assim como foram descobertas inúmeras aplicações do emaranhamento, pode ser que essa nova coerência encontre aplicações importantes em computação e comunicação”.

As respostas para essa e outras questões devem vir com o tempo e mais trabalho. Por enquanto, vale lembrar que o objetivo inicial da colaboração internacional era entender esse novo fenômeno e estudá-lo experimentalmente – pela primeira vez – usando a técnica de RMN. Os resultados da colaboração estão também na Physical Review Letters (v. 117, n. 16, pp. 160402).

“Para a área de informação quântica, entender todos os aspectos de estados coerentes e da descoerência é algo extremamente útil”, disse Alexandre Souza, integrante do Grupo de Informação Quântica e um dos autores do artigo.

Para Roberto Sarthour, do mesmo grupo e também autor do artigo, “os estudos experimentais reportados no artigo mostraram que alguns estados coerentes são imunes aos efeitos de descoerência. E isso demostrou que efeito quânticos podem ser fortes e resistentes em sistemas reais. Esses estados podem ser importantes para metrologia e também comunicação, utilizando sistemas quânticos”.

Página do Grupo de Informação Quântica do CBPF:

http://portal.cbpf.br/grupo-de-pesquisa/informacao-quantica/37  

Artigo na Physical Review Letters:

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.160402  


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