Um novo estudo realizado por pesquisadores brasileiros trouxe avanços para a compreensão de uma das mais intrigantes propriedades do emaranhamento quântico: a morte súbita. Investigando as condições precisas em que a morte súbita do emaranhamento ocorre em dois feixes de laser, cientistas da Universidade de São Paulo (USP) demonstraram que é possível gerar estados emaranhados “robustos” – isto é, que não sofrem a morte súbita – assim como feixes sujeitos ao desemaranhamento. O artigo foi publicado no dia 17 na edição on-line da Nature Photonics e em breve estará disponível também na versão impressa da revista.
O emaranhamento quântico é considerado pelos cientistas como base para futuras tecnologias como computação quântica, criptografia quântica e teletransporte quântico. Fenômeno intrínseco da mecânica quântica, o emaranhamento permite que duas ou mais partículas compartilhem suas propriedades mesmo sem qualquer ligação física entre elas.
Em 2007, um estudo coordenado por Luiz Davidovich, da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), publicado na Science, mostrou que o emaranhamento quântico podia desaparecer repentinamente, “dissolvendo” o elo quântico entre as partículas. A chamada “morte súbita do emaranhamento” poderia comprometer o desenvolvimento de futuras aplicações.
Segundo um dos autores do novo estudo, Paulo Nussenzveig, do Instituto de Física da USP, a pesquisa indica que o emaranhamento pode ser frágil a ponto de desaparecer se os feixes que se propagam forem submetidos a perdas.
“No contexto de comunicações ópticas, as perdas costumam ser o pior inimigo. Mostramos, no estudo, que estados emaranhados robustos – que não sofrem morte súbita – podem ser gerados, assim como estados sujeitos ao desemaranhamento”, disse Nussenzveig à Agência FAPESP.
Mesmo na situação mais simples possível – com o uso de apenas dois feixes de laser –, o desemaranhamento completo pode ocorrer em caso de perdas parciais.
A partir de um tratamento teórico do problema, os cientistas puderam estabelecer uma fronteira entre estados robustos e estados frágeis do emaranhamento. “Com isso, somos capazes de saber de antemão se um estado é robusto ou não”, disse.
De acordo com outro autor do artigo, Marcelo Martinelli, também do Instituto de Física da USP, um primeiro trabalho, publicado na Science em 2009, mostrou que o efeito de morte súbita de emaranhamento se apresentava não apenas em sistemas discretos – isto é, sistemas que têm um conjunto finito de resultados possíveis –, mas também em sistemas macroscópicos de variáveis contínuas.
Naquele estudo, os cientistas geraram pela primeira vez um emaranhamento quântico de três feixes de luz de cores diferentes. “Conseguimos gerar o emaranhamento entre três feixes de luz operando em frequências diferentes. Esse foi um feito importante, mas que já havíamos previsto em um trabalho anterior. A surpresa naquele sistema foi observar que o emaranhamento poderia desaparecer para perdas finitas”, disse Martinelli.
Além dos dois professores da USP, participaram do estudo Felippe Alexandre Silva Barbosa, Alessandro de Sousa Villar, Katiúscia Nadyne Cassemiro e Antonio Sales Oliveira Coelho – então orientandos de doutorado de Nussenzveig – e Alencar José de Faria, cujo pós-doutorado foi supervisionado por Martinelli. Todos tiveram Bolsas da FAPESP.
O grupo faz parte do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) Informação Quântica, sediado no Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas, sob coordenação de Amir Caldeira. O instituto tem apoio da FAPESP e do CNPq.
Teletransporte
Os resultados da nova pesquisa abrem caminho para estudos sobre o teletransporte quântico – que é o objetivo fim do projeto “Teletransporte de informação quântica entre diferentes cores”, coordenado por Martinelli com apoio da FAPESP na modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular.
Segundo o cientista, certas propriedades quânticas podem ficar cada vez mais fracas com o passar do tempo, ou com a interação com sistemas externos. No entanto, elas ainda persistem, mesmo que estejam no limite da capacidade de observação. No caso do emaranhamento, porém, isso não ocorre.
“Quando há perdas finitas – como, por exemplo, na propagação por uma certa distância, seja em fibra óptica ou no ar livre – o sistema pode evoluir para um estado separável, ou seja, perde-se o emaranhamento e podemos declarar efetivamente que o sistema está desemaranhado”, explicou.
No caso do trabalho de 2009, os pesquisadores observaram o efeito de desemaranhamento, mas não sabiam se ele se devia à complexidade intrínseca do experimento com três campos emaranhados.
“No estudo que acabamos de publicar, voltamos um passo atrás no sistema, observando apenas os feixes gêmeos gerados no oscilador paramétrico óptico. Estudando o que ocorre no sistema mais simples, observamos que mesmo nesse caso podemos ter desemaranhamento para perdas finitas. Isto é, mesmo no sistema mais simples para feixes do tipo laser, o emaranhamento pode ser perdido”, explicou.
Existem diversas propostas recentes para o uso das propriedades quânticas no processamento de informação, entre elas o uso de variáveis contínuas do campo eletromagnético. A luz é considerada o meio ideal para transportar a informação de um ponto a outro: seja entre duas estações remotas, seja entre dois sítios dentro de um chip óptico.
“Mas, ao longo da propagação, vemos que a interação com o sistema por meio da atenuação do campo pode destruir o emaranhamento utilizável. Isso implica cuidados que devem ser tomados no projeto de um sistema quântico de processamento de informação”, disse.
Ao gerar tanto feixes “robustos” como sujeitos a desemaranhamento, o trabalho será importante, segundo Martinelli, para a comunidade envolvida no desenvolvimento de dispositivos fotônicos que controlem a luz e a convertam luz em sinais elétricos ou vice-versa.
“Com esse trabalho podemos estender o tratamento a sistemas mais complexos e estudar a dinâmica do emaranhamento nesses sistemas. O controle sobre as propriedades de emaranhamento é o mais importante para a realização de uma das tarefas básicas em processamento quântico de informação: o teletransporte”, disse.
O artigo Robustness of bipartite Gaussian entangled beams propagating in lossy channels (doi:10.1038/nphoton.2010.222), de Marcelo Martinelli, Paulo Nussenzveig e outros, pode ser lido por assinantes da Nature Photonics em www.nature.com/nphoton/ journal/vaop/ncurrent/ full/nphoton.2010.222.html .
Agência FAPESP