Numa descoberta crucial, os investigadores identificaram uma ligação fundamental entre o emaranhamento quântico e a topologia. Esta descoberta melhora a nossa compreensão da mecânica quântica e abre caminho para abordagens inovadoras na tecnologia quântica, revolucionando potencialmente os campos da computação quântica e da comunicação. Crédito: SciTechDaily.com
Este marco experimental permite a preservação da informação quântica mesmo quando o emaranhamento é frágil.
Pela primeira vez, pesquisadores do Laboratório de Luz Estruturada (Escola de Física) da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, liderados pelo professor Andrew Forbes, em colaboração com o teórico de cordas Robert de Mello Koch, da Universidade de Huzhou, na China (anteriormente de Wits Universidade), demonstraram a notável capacidade de perturbar pares de partículas emaranhadas quânticas espacialmente separadas, mas interconectadas, sem alterar suas propriedades compartilhadas.
“Alcançamos este marco experimental ao entrelaçar dois fotões idênticos e personalizar a sua função de onda partilhada de tal forma que a sua topologia ou estrutura se torna aparente apenas quando os fotões são tratados como uma entidade unificada”, explica o autor principal, Pedro Ornelas, um MSc. aluno no laboratório de luz estruturada.
Esta ligação entre os fotões foi estabelecida através do emaranhamento quântico, muitas vezes referido como “ação assustadora à distância”, permitindo que as partículas influenciassem os resultados de medição umas das outras, mesmo quando separadas por distâncias significativas. A pesquisa foi publicada em Fotônica da Natureza em 8 de janeiro de 2024.
Ilustração conceitual da topologia emaranhada do Skyrmion. Cada fóton contribui para a topologia emergente que só existe como uma entidade combinada dos dois fótons. Crédito: Universidade Wits
Topologia em Emaranhamento Quântico
O papel da topologia e sua capacidade de preservar propriedades, neste trabalho, pode ser comparado ao modo como uma caneca de café pode ser remodelada na forma de um donut; apesar das mudanças na aparência e na forma durante a transformação, um buraco singular – uma característica topológica – permanece constante e inalterado. Desta forma, os dois objetos são topologicamente equivalentes. “O emaranhado entre nossos fótons é maleável, como argila nas mãos de um oleiro, mas durante o processo de moldagem algumas características são retidas”, explica Forbes.
A natureza da topologia investigada aqui, denominada topologia Skyrmion, foi inicialmente explorada por Tony Skyrme na década de 1980 como configurações de campo exibindo características semelhantes a partículas. Neste contexto, topologia refere-se a uma propriedade global dos campos, semelhante a um pedaço de tecido (a função de onda) cuja textura (a topologia) permanece inalterada independentemente da direção em que é empurrada.
Desde então, esses conceitos foram realizados em materiais magnéticos modernos, cristais líquidos e até mesmo como análogos ópticos usando feixes de laser clássicos. No domínio da física da matéria condensada, os skyrmions são altamente considerados pela sua estabilidade e resistência ao ruído, levando a avanços inovadores em dispositivos de armazenamento de dados de alta densidade. “Aspiramos ver um impacto transformador semelhante com nossos skyrmions emaranhados quânticos”, diz Forbes.
Pedro Ornelas, aluno de mestrado do Wits Structured Light Laboratory da Wits School of Physics, lidera a experiência. Crédito: Universidade Wits
Mudança de paradigma na pesquisa quântica
Pesquisas anteriores descreveram esses Skyrmions localizados em um único local. “Nosso trabalho apresenta uma mudança de paradigma: a topologia que tradicionalmente se pensava existir em uma configuração única e local agora é não-local ou compartilhada entre entidades espacialmente separadas”, diz Ornelas.
Expandindo esse conceito, os pesquisadores utilizam a topologia como estrutura para classificar ou distinguir estados emaranhados. Eles prevêem que “esta nova perspectiva pode servir como um sistema de rotulagem para estados emaranhados, semelhante a um alfabeto!” diz o Dr. Isaac Nape, um co-investigador.
“Da mesma forma que esferas, donuts e algemas são distinguidos pelo número de buracos que contêm, nossos skyrmions quânticos podem ser diferenciados por seus aspectos topológicos da mesma maneira”, diz Nape. A equipe espera que isso possa se tornar uma ferramenta poderosa que abra caminho para novos protocolos de comunicação quântica que usam a topologia como um alfabeto para o processamento de informações quânticas através de canais baseados em emaranhamento.
Implicações para a comunicação quântica
As descobertas relatadas no artigo são cruciais porque os pesquisadores lutaram durante décadas com o desenvolvimento de técnicas para preservar estados emaranhados. O fato de a topologia permanecer intacta mesmo quando o emaranhamento diminui sugere um mecanismo de codificação potencialmente novo que utiliza o emaranhamento, mesmo em cenários com emaranhamento mínimo, onde os protocolos de codificação tradicionais falhariam.
“Vamos concentrar nossos esforços de pesquisa na definição desses novos protocolos e na expansão do cenário de estados quânticos topológicos não locais”, diz Forbes.
Referência: “Skyrmions não locais como estados de luz emaranhados quânticos topologicamente resilientes” por Pedro Ornelas, Isaac Nape, Robert de Mello Koch e Andrew Forbes, 8 de janeiro de 2024, Fotônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41566-023-01360-4
