Cientistas teletransportam informação quântica com precisão a 3 metros

Preparem-se fãs de ficção científica e namorados à distância: de acordo com cientistas dos Países Baixos, pode ser possível teletransportar pessoas de um lugar para outro num futuro distante. Em um artigo publicado na revista “Science”, os físicos do Instituto Kavli de Nanociência na Universidade  de Tecnologia de Delft, na Holanda do Sul, informaram que foram capazes de teletransportar de forma confiável informações entre dois bits quânticos separados por três metros.

O teletransporte quântico não é algo no estilo “Jornada nas Estrelas”, que movimenta pessoas ou coisas, mas sim envolve a transferência da chamada informação quântica – neste caso, o estado de spin de um elétron – de um lugar para outro sem mover a matéria física à qual a informação é anexada.

“Se você acredita que não somos nada mais do que um monte de átomos amarrados juntos de uma forma particular, então, em princípio, deve ser possível nos teletransportar de um lugar para outro”, pondera Ronald Hanson, o físico que lidera a equipe em Delft. “Na prática, é extremamente improvável, mas dizer que nunca pode funcionar é muito perigoso. Eu não descartaria [essa hipótese], pois não há nenhuma lei fundamental da física que a impeça”.

Contrariando Einstein

Bits clássicos, as unidades básicas de informação na computação, só podem ter um de dois valores – 0 ou 1. Porém, os bits quânticos, ou qubits, podem descrever simultaneamente muitos valores. Neles mora não só a possibilidade de uma nova geração de sistemas de computação mais rápida, como também a capacidade de criar redes de comunicação completamente seguras.

Além disso, os cientistas estão agora mais perto de provar que Einstein estava errado em sua descrença na noção de entrelaçamento, na qual partículas separadas por anos-luz ainda podem parecer conectadas, com o estado de uma partícula instantaneamente afetando o estado de outra.

Os pesquisadores relatam que eles conseguiram alcançar o teletransporte perfeito de informação quântica em distâncias curtas. Agora, estão tentando repetir a experiência em uma distância superior a um quilômetro. Se eles forem capazes de mostrar repetidamente que o emaranhamento funciona a esta distância, será uma demonstração definitiva do fenômeno e da teoria da mecânica quântica.

Caso o experimento seja bem-sucedido a distâncias maiores, isto ofereceria uma solução positiva para um experimento de pensamento conhecido como Teorema de Bell. Proposta em 1964 pelo físico irlandês John Stewart Bell, ele seria um método para determinar se as partículas conectadas via entrelaçamento quântico comunicam informações mais rápido do que a velocidade da luz.

O grande diferencial

“Há uma grande corrida acontecendo entre cinco ou seis grupos para provar que Einstein estava errado”, contou Hanson, explicando que o reconhecimento seria muito grande. No passado, cientistas tiveram alguns ganhos no teletransporte de informação quântica – que é conseguida ao forçar bits quânticos fisicamente separados a um estado emaranhado.

Contudo, a confiabilidade do teletransporte quântico têm se provado ilusória. Por exemplo, em 2009, físicos da Universidade de Maryland (EUA) demonstraram a transferência de informação quântica, mas apenas 1 em cada 100 milhões de tentativas teve sucesso, o que significa que era necessário cerca de 10 minutos para transferir um único bit de informação quântica. Em contraste, os cientistas da Delft alcançaram este objetivo “de forma determinística”. Isso significa que conseguiram teletransportar o estado quântico de dois elétrons entrelaçados com precisão em 100% das vezes.

Eles fizeram isso ao produzir qubits usando elétrons presos em diamantes a temperaturas extremamente baixas. Segundo Hanson, os diamantes efetivamente criam “mini prisões”, nas quais os elétrons são mantidos. Os pesquisadores foram capazes de estabelecer uma rotação, ou valor, para os elétrons e, em seguida, ler este valor de forma confiável.

Para além da possibilidade de uma internet quântica impenetrável, a pesquisa também apresenta a possibilidade de redes de computadores quânticos. Até o momento, computadores quânticos práticos – que poderiam resolver determinadas classes de problemas muito mais rapidamente do que até mesmo os mais poderosos computadores em uso atualmente – continuam a ser um objetivo distante. Um computador quântico funcional precisaria emaranhar um grande número de qubits e manter esse estado emaranhado por períodos relativamente longos, algo que até agora não foi alcançado.

O líder da pesquisa ainda sugeriu que uma rede quântica distribuída poderia oferecer novas formas de privacidade. Tal rede possibilitaria que um usuário remoto executasse um cálculo quântico em um servidor, e, ao mesmo tempo, tornaria impossível para o operador do servidor determinar a natureza do cálculo. [The New York Times, Independent]

Teoria da Informação Quântica pode revelar a natureza real do mundo físico

Pergunte para qualquer físico quais são as duas principais teorias do século 20, e eles provavelmente vão dar a mesma resposta: a teoria da relatividade de Einstein e a mecânica quântica. Mas talvez uma terceira teoria, do século 21, entre para o hall da fama: a Teoria da Informação Quântica, ou Teoria Quântica da Informação.

A mecânica quântica surgiu na década de 20, para descrever o estranho comportamento dos átomos e elétrons. Já a teoria da informação apareceu duas décadas depois, com fórmulas para quantificar a comunicação através de telefones.

Ao contrário dos físicos quânticos, mais preocupados em desenvolver computadores super rápidos, os teóricos da informação quântica estão motivados a entender a realidade física, e entender melhor a mecânica quântica da natureza.

Realidade computadorizada

No coração da ciência da informação quântica está um modelo de representação da informação, conhecido como qubit. Ele é análogo ao 1 e 0 , processados por computadores comuns – os bits. Mas um qubit está dentro do universo quântico, por isso pode ser o 1 e o 0 ao mesmo tempo. Essa superposição de identidade dá à informação quântica um poder extraordinário.

Os qubits podem, por exemplo, transmitir mensagens codificadas super seguras, tipicamente na forma de fótons. Elas são seguras porque qualquer tentativa de alterar a mensagem seria notada.

Esse tipo de sistema já é comercializado, e talvez um dia se torne uma necessidade de mercado devido à outra aplicação da Informação Quântica: a computação quântica. Computadores com qubtis poderiam resolver problemas que um supercomputador comum não conseguiria em milhões de anos.

Aplicações? Você poderia usar um computador assim para prever o resultado de reações químicas, por exemplo, sem necessitar dos tubos de laboratório. Essa habilidade poderia melhorar a produção de materiais industriais e de medicamentos.

“Nós não prevemos que você vai usar um computador quântico para enviar um e-mail. Mas jogos quânticos seriam realmente incríveis”, afirma o físico John Preskill.

Além do mercado, os cientistas pretendem usar essas teorias para entrar nas fundações da realidade. A quântica poderia mostrar a interface entre a matemática e o mundo físico.

Quebrar códigos, por exemplo, envolve solucionar o complicado problema matemático de encontrar os fatores primos de um número muito grande, com centenas de dígitos. Mas, como descoberto por Peter Shor, em 1994, algoritmos do computador quântico conseguem solucionar isso – e as implicações são grandes.

“Fatores são um problema difícil clássico”, afirma Preskill. “Mas os algoritmos de Shor demonstram que isso é um problema fácil para a visão quântica”. Em outras palavras, o processamento de informações quânticas revela algo sobre a relação matemática com a realidade física, algo antes não imaginado.

Mas alguns problemas matemáticos são difíceis até quanticamente. Entendê-los poderia nos dar uma noção de que tipos de computações matemáticas são possíveis no universo físico.

Um desses problemas, que está sendo estudado pelo cientista Scott Aaronson, é a tese de Church-Turing. Ela basicamente indica que qualquer coisa que possa ser computada por um sistema físico também pode ser computada por um computador “universal” idealizado, chamado de máquina de Turing.

“Isso é uma afirmação falsificada sobre as leis da física”, afirma Aaronson. “Ela expressa a crença de que se as leis da física forem como um código de computador, então qualquer linguagem de programação para as leis da natureza poderia emular qualquer outra”.

Mas as ideias de Shor atestam que os computadores quânticos poderiam fazer coisas que uma máquina de Turing não conseguiria. Nesse caso, ou a computação quântica é impossível (o que não é muito provável, já que isso implicaria que a mecânica quântica está errada), ou a tese de Church-Turing está incorreta no que tange o mundo físico, a não ser que exista uma maneira de um computador comum simular a física quântica. “Ninguém provou isso, mas seria uma incrível descoberta matemática”, afirma Aaronson.

Raízes quânticas

Uma descoberta igualmente incrível seria identificar o princípio físico que exige que a realidade obedeça às regas da mecânica quântica. No começo, os pioneiros quânticos visualizaram a matemática que funciona – e que exige o estranho conceito de múltiplas realidades possíveis. Mas a questão do por quê uma matemática tão bizarra funcionava tão bem era deixada de lado.

Mas, nos últimos tempos, a aventura em busca de um princípio físico pelo qual a mecânica quântica funciona tem ganhado força, e a informação quântica tem sido o motor disso. [ScienceNews]