Medida da discórdia (quântica)

Pesquisadores brasileiros medem diretamente pela primeira vez propriedade que pode se mostrar muito importante para o desenvolvimento da computação quântica. Estudo foi publicado na Physical Review Letters

Por Elton Alisson

Agência FAPESP – A fragilidade das propriedades quânticas, que desaparecem devido à interação com o meio ambiente, a temperatura finita 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 de forma direta, pela primeira vez, uma propriedade que pode ser útil para o desenvolvimento da computação quântica.

Derivados do projeto “Informação quântica e decoerência”, apoiado pela FAPESP por meio do Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes, os resultados dos experimentos 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 à temperatura ambiente.

Introduzido em 2001, o conceito de discórdia quântica indica a correlação não clássica entre duas entidades, como núcleos, elétrons, spins e fótons, que implica em características que não podem ser observadas em sistemas clássicos.

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

“Entretanto, medimos experimentalmente essa correlação (discórdia) quântica e demonstramos que ela está presente onde não se esperava e que esse fenômeno pode ser explorado mesmo à temperatura ambiente, em situações em que há muito ruído térmico”, 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, em um cenário em que eles não estavam emaranhados, e demonstraram que é possível medir as correlações quânticas entre os dois spins nucleares.

Por intermédio do experimento, desenvolveram um método prático para medir correlações quânticas (a discórdia quântica) através de uma grandeza física, denominada "testemunha ocular", que permite a observação direta do caráter quântico da correlação de um sistema. “Isso demonstrou de forma inequívoca a natureza quântica dos testes de princípios realizados em ressonância magnética nuclear à temperatura ambiente. Esses resultados podem abrir caminho para outras aplicações em informação quântica à temperatura embiente", disse Serra.

No trabalho publicado no novo artigo, os pesquisadores brasileiros mediram outro fenômeno que haviam previsto, denominado 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, causando uma perda de coerência do sistema (um fenômeno conhecido como decoerência). Nessa situação, a discórdia quântica pode permanecer constante e insensível ao ruído térmico durante um determinado tempo e, depois, começar a decair.

“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 processamento de informação, 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 capacidade para a troca de informações entre objetos quânticos. Recentemente, descobriu-se que essa propriedade não é necessariamente fundamental para a vantagem quântica em processamento de informação, porque há protocolos em que a vantagem quântica é obtida em sistemas não emaranhados. Dessa forma, conjectura-se 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 a realização de tarefas em um computador quântico. No entanto, sistemas não emaranhados dotados de discórdia teriam a vantagem de ser mais robustos à ação do meio externo, uma vez que o emaranhamento pode desaparecer subitamente, em um fenômeno chamado "morte súbita".

“Nosso maior interesse, no momento, é avançar na compreensão da origem da vantagem dos computadores quânticos. Se soubermos isso, poderemos construir dispositivos mais eficientes, consumindo menos recursos para controlar sua coerência”, 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 de forma direta e se tornou referência mundial na área.

Para realizar as medições, o grupo de pesquisadores da UFABC se associou inicialmente ao grupo liderado pelo 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 e da USP de São Carlos com um grupo de pesquisa do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, liderado pelo professor Ivan Oliveira. Os pesquisadores também contaram com o apoio do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Informação Quântica (INCT-IQ).

“Nesse momento, estão sendo desenvolvidos no CBPF métodos para lidar com sistemas de três e quatro bits quânticos que, associados às técnicas que desenvolvemos para medir a discórdia quântica e outras propriedades, permitirão testarmos protocolos mais complexos em ciência da informação quântica como, por exemplo, de metrologia e de máquinas térmicas quânticas”, 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.