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Planeta Universitário

Medida da discórdia (quântica)

Publicado em 14 outubro 2011

A fragilidade das propriedades quânticas, que desaparecem em contato com o meio ambiente, em altas temperaturas ou em corpos macroscópicos, representa um dos maiores obstáculos para o desenvolvimento dos desejados computadores quânticos, máquinas ultravelozes que seriam capazes de realizar simultaneamente e, em questão de segundos, operações que os computadores convencionais demorariam bilhões de anos para efetuar.Um grupo de físicos brasileiros mediu experimentalmente, pela primeira vez, uma propriedade que pode ser útil para o desenvolvimento da computação quântica.

Os resultados do projeto “Informação quântica e decorrência”, apoiado pela FAPESP por meio do Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes, foram publicados em 30 de setembro na Physical Review Letters.

Em 9 de agosto, o grupo havia publicado na mesma revista um artigo em que descreveram como conseguiram medir a chamada discórdia quântica em temperatura ambiente.

Introduzido em 2001, o conceito de discórdia quântica indica a correlação entre duas entidades, como núcleos, elétrons e fótons, que por meio de um fenômeno denominado emaranhamento, são capazes de trocar informações instantaneamente, mesmo que a enormes distâncias umas das outras.

Até então se acreditava que essa grandeza quântica só poderia ser medida em sistemas muito bem controlados, em baixíssimas temperaturas e isolados do meio ambiente, uma vez que qualquer interferência seria capaz de destruir a ligação (o emaranhamento) entre os objetos quânticos – o que dificultaria a concepção de um computador quântico.

“Entretanto, medimos experimentalmente esse efeito quântico e demonstramos que ele está presentes onde não se esperava e que ele pode ser explorado mesmo em temperatura ambiente, nos quais há muito ruído térmico e as entidades quânticas não estão emaranhadas”, disse Roberto Menezes Serra, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC) e coordenador do projeto, à Agência FAPESP.

Para medir a discórdia quântica, os pesquisadores trabalharam com uma molécula de clorofórmio, que possui um átomo de carbono, um de hidrogênio, e três de cloro.

Utilizando técnicas de ressonância magnética nuclear, eles codificaram um bit quântico no spin do núcleo do hidrogênio e outro no de carbono e demonstraram que eles não estavam emaranhados e que era possível medir as correlações entre suas propriedades.

Por intermédio do experimento, desenvolveram, pela primeira vez, um método prático para medir correlações quânticas (a discórdia quântica) em sistemas não controlados. “Isso abre a possibilidade de se utilizar átomos à temperatura ambiente para o desenvolvimento de computadores e aplicações em informação, como a criptografia quântica, gerando códigos a princípio invioláveis”, disse Serra.

No trabalho publicado no novo artigo, os pesquisadores brasileiros mediram outra propriedade, denominada mudança súbita de comportamento da discórdia quântica.

O efeito descreve a alteração de comportamento da discórdia quântica quando o sistema físico em que ela está presente entra em contato com o meio ambiente. Ela pode permanecer constante e insensível ao ruído térmico durante um determinado tempo e, depois, começar a decair, causando uma perda de coerência do sistema (decoerência).

“Conhecer as sutilezas do comportamento dinâmico desse sistema é importante porque, se utilizarmos a discórdia quântica para obter alguma vantagem em algum processo, como de metrologia ou de computação, precisamos saber o quão robusto esse aspecto quântico é em relação a essa perda de coerência para conhecer por quanto tempo o dispositivo pode funcionar bem e quais erros devem ser corrigidos”, explicou Serra.

Referência mundial

Até há alguns anos, os cientistas achavam que o emaranhamento fosse uma propriedade essencial para obtenção de ganhos em um sistema quântico, como a maior velocidade na troca de informações entre entidades quânticas. Recentemente, descobriu-se que essa propriedade não é fundamental, e que a discórdia quântica é que poderia estar associada às vantagens de um sistema quântico.

Em função disso, tanto a discórdia como o emaranhamento passaram a ser reconhecidos como úteis para o processamento de informações por um computador quântico. No entanto, sistemas não emaranhados dotados de discórdia teriam a vantagem de ser mais robustos à ação do meio externo.

“Nosso maior interesse, no momento, é entender de onde vem a vantagem dos computadores quânticos. Se soubermos isso, poderemos construir dispositivos mais eficientes”, disse Serra.

De acordo com o pesquisador, o grupo de físicos brasileiros foi o primeiro a utilizar técnicas de ressonância magnética nuclear para medir a discórdia quântica e se tornou referência mundial na área.

Para realizar as medições, o grupo de pesquisadores da UFABC se associou ao professor Tito José Bonagamba, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP), campus de São Carlos, que coordenou os primeiros experimentos por meio do projeto “Manipulação de spins nucleares através de técnicas de ressonância magnética e quadrupolar nuclear”, também realizado com apoio da FAPESP.

Os experimentos mais recentes foram realizados por meio de uma colaboração entre os pesquisadores da UFABC com um grupo de pesquisa do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, coordenado pelo professor Ivan Oliveira.

“Nesse momento, estamos desenvolvendo no CBPF métodos para tratar com sistemas de três e quatro bitsquânticos que, associados às técnicas que desenvolvemos para medir a discórdia quântica e outras propriedade, permitirão testarmos outros protocolos em ciência da informação quântica como, por exemplo, de criptografia quântica”, contou Serra.

Os artigos Experimentally Witnessing the Quantumness of Correlations e Environment-Induced Sudden Transition in Quantum Discord Dynamics, de Serra e outros (doi: 10.1103/PhysRevLett.107.070501 e 10.1103/PhysRevLett.107.140403), ), publicados na Physical Review Letters, podem ser lidos em link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.070501 e link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.140403.

Agência FAPESP