Emaranhamento entre os estados de partícula e onda da luz se assemelha ao experimento do gato de Schrödinger

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Ilustração do esquema proposto para gerar o emaranhamento híbrido de luz (um único fóton e um estado de luz de onda coerente). Crédito: Jeong et al. © 2014 Nature Photonics

Artigo traduzido de Phys.org.

Enquanto emaranhar gatos com átomos não seja exatamente uma área ativa de pesquisa em qualquer laboratório de física de hoje (até onde se sabe, hehe), muitos físicos estão trabalhando em uma estreita analogia do experimento do gato de Schrödinger. Ou seja, eles estão desenvolvendo métodos para emaranhar objetos clássicos (análogos ao gato) com partículas quânticas (como um átomo individual).

Em um novo artigo publicado como artigo de capa da edição de julho de 2014 da revista Nature Photonics, Hyunseok Jeong e outros físicos, de instituições na Coreia do Sul, Itália e Austrália, desenvolveram e demonstraram experimentalmente um esquema novo para gerar emaranhamento entre os estados quântico e clássico (ou estados tipo partícula e tipo onda) da luz. Este estudo marca a primeira vez que os físicos conseguiram gerar emaranhamento entre um único fóton e um estado de luz de onda coerente.

De acordo com os cientistas, este emaranhamento híbrido pode ser considerado como a analogia mais próxima do Gato de Schrödinger realizada até agora. Ela também tem aplicações práticas, uma vez que fornece um novo tipo de qubit (um qubit híbrido) que pode ser usado para uma computação quântica eficiente.

Em tentativas anteriores para gerar emaranhamento entre um único fóton e o estado de onda de luz coerente, o maior obstáculo foi a exigência de uma interação não-linear forte e silenciosa entre os fótons; isto era extremamente difícil porque os fótons raramente interagem uns com os outros.

No novo estudo, os pesquisadores introduziram um novo esquema para gerar o emaranhamento híbrido que é experimentalmente acessível. O novo sistema é baseado em superposição. Semelhante à forma como o gato de Schrödinger está vivo e morto ao mesmo tempo até que alguém olhe, os fótons também ocupam dois estados ao mesmo tempo.

Ao invés de estar morto e vivo, no entanto, os estados correspondem aos braços longos e curtos do interferômetro através do qual cada fóton viaja. É como se um fóton percorresse os dois braços ao mesmo tempo. Ao realizar um procedimento que apaga a informação de quais braços os fótons percorreram, os físicos poderiam emaranhar um fóton com um estado de onda que eles chamam de estado coerente de fótons acrescentados.

Uma vez que o novo estado é essencialmente uma superposição incluindo tanto partículas quanto componentes de onda, pode ser visto como um novo tipo de q-bit. Normalmente, um qubit consiste de uma partícula que é uma superposição de dois estados quânticos. A nova ideia aqui é que um qubit pode consistir de um estado quântico (ou tipo partícula) e um clássico (ou tipo onda), o que poderia combinar de modo eficaz as vantagens intrínsecas de ambos. Desta forma, um qubit híbrido poderia oferecer vantagens exclusivas para a computação quântica e teletransporte quântico.

“Usando qubits híbridos, é possível implementar o processamento de informação quântica (como teletransporte quântico e as operações de computação quântica) com alta probabilidade de sucesso e com alta fidelidade”, Hyunseok Jeong, da Universidade Nacional de Seul, disse ao Phys.org. “Foi difícil atingir esse objetivo com qubits tipo partícula ou com qubits tipo onda. Com qubits tipo partículas a fidelidade de processamento de informação quântica pode ser alta, mas a probabilidade de sucesso torna-se baixa, e acontece exatamente o contrário com os qubits tipo onda. Usando os qubits híbridos, pode-se combinar as vantagens de ambas as abordagens para que o processamento de informação quântica possa ser realizada de forma eficiente”.

No futuro, os pesquisadores planejam aumentar o tamanho dos objetos clássicos utilizados no estado emaranhado, o que irá torná-los mais práticos para aplicações.

“No momento, temos realizado uma demonstração de prova de princípio”, disse o co-autor Marco Bellini, do Istituto Nazionale di Ottica (INO-CNR) e da Universidade de Firenze, ambas em Florença, Itália. “Em nossa experiência, a parte clássica do estado emaranhado (o análogo dos estados “vivo”e “morto” de superposição do gato de Schrödinger) é a superposição entre dois pulsos de laser fracos com fases opostas. Uma vez que eles contêm apenas alguns fótons em média, eles são de fato objetos clássicos muito pequenos (muito diferente de um gato macroscópico), então os nossos próximos planos são para encontrar formas de gerar híbridos de estados emaranhados onde o componente clássico possa ser maior. Além do interesse fundamental relacionado com os paradoxos da mecânica quântica, isso também irá torná-los mais úteis para aplicações em processamento de informação quântica”.

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