Novo experimento de teletransporte pode beneficiar computadores quânticos

Um chip semicondutor de um processador quântico está conectado ao circuito no laboratório de John Nichol. Crédtios: Universidade de Rochester foto/ J. Adam Fenster

Embora a ideia de teletransporte ainda remeta ao universo da ficção científica, essa fronteira está sendo gradativamente desbravada graças ao desenvolvimento da computação quântica. No ano passado, cientistas mostraram que a informação poderia ser transmitida entre fótons que estavam em chips de computador mesmo em situações onde os fótons não estavam ligados fisicamente. Agora, de acordo com uma nova pesquisa da Universidade de Rochester e da Universidade de Purdue, ambas nos EUA, o teletransporte também pode ser possível entre elétrons.

Possibilidades de teletransporte quântico

Em uma pesquisa publicada na revista Nature Communications e outra publicada em Physical Review X, os pesquisadores, incluindo John Nichol, professor assistente de física em Rochester, e Andrew Jordan, professor de física em Rochester, exploram novas formas para criar interações quanto-mecânicas entre elétrons que estão fisicamente distantes. A pesquisa é um passo importante no desenvolvimento da computação quântica, que, em troca, possui o potencial de revolucionar a tecnologia, a medicina e a ciência, ao fornecer processadores e sensores mais rápidos e eficientes,

O teletransporte quântico se baseia no conceito de entrelaçamento quântico. No entrelaçamento — um dos conceitos básicos da física quântica — as propriedades de uma partícula afetam as propriedades de outra, mesmo quando ambas estão separadas por grandes distâncias. O teletransporte quântico possibilita, por exemplo, que uma partícula instantaneamente “teletransporte” seu estado para outras duas partículas entrelaçadas e que estejam distantes entre si.

O teletransporte quântico é um recurso importante para transmitir informação na computação quântica. Enquanto um computador típico possui bilhões de transistores, os computadores quânticos codificam informações em bits quânticos, ou qubits. Um bit possui um único valor binário, que pode ser tanto “0” ou “1”, mas os qubits podem ser tanto “0” quanto “1” ao mesmo tempo. O possibilidade de que cada qubit possa simultaneamente ocupar estados múltiplos é o que está por trás do grande poder de processamento em potencial dos computadores quânticos.

Recentemente, cientistas demonstraram o teletransporte quântico utilizando fótons eletromagnéticos para criar pares distantes e entrelaçados de qubits. Entretanto, os qubits feitos de elétrons individuais também são promissores quando se trata da transmissão de informação por semicondutores.

“Os elétrons individuais são qubits promissores porque eles interagem facilmente um com o oturo, e qubits de elétrons individuais em semicondutores também são escaláveis”, diz Nichol. “Criar, de maneira confiável, interações à longas distâncias entre elétrons é essencial para a computação quântica”.

Mas a tarefa de criar pares entrelaçados de qubits elétrons que alcancem distâncias longas, algo essencial para o teletransporte, se mostrou ser bem difícil. Enquanto os fótons naturalmente se propagam a grandes distâncias, os elétrons geralmente estão confinados à um só local.

Pares entrelaçados de elétrons

Para demonstrar o teletransporte quântico utilizando elétrons, os pesquisadores aproveitaram uma técnica recém desenvolvida baseada nos princípios da interação de troca de Heisenberg. Um elétron individualmente é como uma barra magnética com um pólo norte e um pólo sul que podem apontar tanto para cima quanto para baixo. A direção do pólo — se o pólo norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo — é conhecido como o momento magnético do elétron ou estado de spin. Se certas partículas possuem o mesmo momento magnético, elas não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo. Isto é, dois elétrons do mesmo estado quântico não podem se sobrepor.

Os pesquisadores utilizaram uma técnica para distribuir pares entrelaçados de elétrons e teletransportar seus estados de spin.

“Nós fornecemos evidências para um fenômeno de “troca entrelaçada”, na qual criamos esse entrelaçamento entre dois elétrons mesmo que as partículas nunca tenham interagido, e para um“portão de teletransporte quântico”, uma técnica útil potencialmente para a computação quântica utilizando teletransporte”, diz Nichol. “Nosso trabalho mostra que isso pode ser feito mesmo sem fótons”.

Os resultados pavimentam o caminho para pesquisas futuras no teletransporte quântico envolvendo estados de spin de todo tipo de partículas além dos fótons, e o surpreendente potencial para o uso de elétrons individuais em qubits.

Publicado em 21/06/2020