Dentro brevemente
- O novo método da equipe evita começar com pares pré-emaranhados ou realizar medições do estado de Bell, baseando-se, em vez disso, na separação das trajetórias dos fótons.
- Uma ferramenta de IA chamada PyTheus, originalmente encarregada de reproduzir protocolos de troca de emaranhamento, revelou inesperadamente uma maneira simples de inserir fótons independentes.
- Esta descoberta reduz a complexidade das redes quânticas e desafia ideias antigas sobre o que é necessário para produzir emaranhamentos de longo alcance.
COMUNICADO DE IMPRENSA – Os físicos encontraram uma maneira simples de criar um emaranhado quântico entre dois fótons distantes – sem primeiro serem emaranhados, sem usar medições do estado de Bell e sem encontrar todos os fótons correspondentes – um avanço que desafia a imaginação que há muito é mantida em redes quânticas. .
E bastou um empurrãozinho amigável de uma ferramenta de inteligência artificial.
Uma equipe internacional de cientistas liderada por pesquisadores da Universidade de Nanjing e do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz descreveu seu método na Physical Review Letters – este artigo é acessado via arXiv – que mostrou que o emaranhamento pode surgir da indivisibilidade do fóton individual caminhos. Em vez de confiar em processos convencionais a partir de pares emaranhados fixos e medições conjuntas complexas, a sua abordagem utiliza um princípio quântico fundamental: onde muitos fotões poderiam ter vindo de várias fontes possíveis, apagar as pistas da sua origem pode revelar emaranhados onde não havia nenhum antes.
Curiosamente – e talvez mais importante – este desenvolvimento inesperado vem do uso de uma ferramenta de inteligência artificial chamada PyTheus, que inicialmente dependia da redescoberta do protocolo robusto na comunicação quântica conhecido como comutação de emaranhamento. Em vez disso, o algoritmo revelou algo simples. Conforme Mário Krenno líder do grupo de pesquisa Laboratório de Ciências Sintéticas no Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, a solução que a IA trouxe parecia muito simples no início.
“Descobrimos essa ideia por acaso enquanto usávamos o PyTheus para protocolos quânticos”, escreveu Krenn no X. “Como primeira tarefa, pretendíamos redescobrir o emaranhamento switch, um dos protocolos mais importantes em redes quânticas. Surpreendentemente, o algoritmo continuou produzindo algo mais – algo simples – que pensávamos estar errado.”
De acordo com o artigo, a troca emaranhada geralmente requer começar com dois pares emaranhados diferentes e fazer uma medição conjunta especial – chamada medição do estado de Bell – em um único fóton de cada par. Isto colapsa o sistema, deixando os outros dois fótons presos, embora nunca interajam diretamente. Tem sido a base do design de redes quânticas por décadas. Mas em seu novo trabalho, Krenn e seus colegas mostram que existem outras maneiras de alcançar o mesmo resultado sem esta série de requisitos.
Ao tornar iguais todos os métodos possíveis de produção de fótons, o esquema de grupo cria um emaranhado apenas com a incerteza quântica sobre a origem. Ignorado há mais de 25 anos, Krenn escreve que esta abordagem simples elimina a complexidade. Em vez de otimizar a retenção e usar a aproximação do estado de Bell para propagar, o método usa a superposição de diferentes eventos de geração para produzir o mesmo resultado. Isto vai contra décadas de sabedoria convencional sobre o que é “necessário” para criar simpatia à distância.
“Para mim, isso mudou minha perspectiva sobre o que é necessário para criar amor – não porque agora eu saiba o que é necessário, mas porque vimos o que não é necessário”, escreveu Krenn nas redes sociais.
Por mais experimental que pareça, é filosoficamente interessante
O algoritmo PyTheus, segundo Krenn, foi encarregado de reproduzir protocolos estabelecidos, como substituição de emaranhamento. Em vez disso, continuou a usar uma configuração que exigia mais. No antigo sentido, utilizar menos recursos normalmente significa menos. Mas aqui a solução surpreendente revelou-se experimental e filosoficamente interessante. Em vez de usar blocos de construção estabelecidos, como medições do estado de Bell, o novo método usa uma fonte de fótons indivisível para unir partículas distantes. Permite ainda situações em que nem todos os fotões de suporte precisam de ser detectados, sugerindo que os requisitos de recursos em futuras redes quânticas podem ser reduzidos.
No estudo dos pesquisadores, não foram necessárias fontes tangíveis ou ferramentas de medição anteriores. Ao ajustar as fontes de fótons e garantir que a saída seja indistinguível, eles criaram condições onde a recepção de fótons em certas direções garante que outros dois – nunca em contato direto – simplesmente colidam. Esta abordagem pode facilitar a criação de ligações quânticas entre nós distantes e reduzir a complexidade das redes quânticas de vários nós, tornando-as mais dispersas e mais robustas.
Tal descoberta poderia ter implicações para a comunicação quântica e o processamento de informações. As redes quânticas, destinadas a permitir mensagens seguras e computação quântica distribuída, há muito dependem de mecanismos bem estabelecidos, como a troca de emaranhamento. Agora, pode surgir uma nova geração de protocolos que se baseiam em princípios quânticos fundamentais de forma direta.
Com certeza, como em todas as demonstrações quânticas em estágio inicial, dimensionar esse método para comprimentos de rede realistas e um grande número de fótons continua sendo um desafio. O ruído, a perda e as imperfeições inerentes ao dispositivo ainda prevalecem. Mas agora que surgiu um método há muito esquecido, os engenheiros quânticos têm novas maneiras de testá-lo.
“As soluções típicas descobertas pela IA são complexas e levam anos para entender o que está acontecendo”, escreveu Krenn em seu post. “Desta vez, a solução foi mais fácil do que esperávamos.”
O desenvolvimento sublinha que, à medida que a tecnologia quântica avança, a descoberta assistida por IA poderá ser capaz de trabalhar com cientistas humanos para desbloquear possibilidades anteriormente inimagináveis. Assim como PyTheus revelou indiretamente que a troca de emaranhamento não era o único jogo disponível, ferramentas futuras poderão descobrir outros protocolos ocultos que desafiam a sabedoria convencional. Invertendo ideias de décadas atrás, este resultado está a fazer os investigadores repensarem o que exatamente define a geração de emaranhamento – e o que pode acontecer à medida que empurram as redes quânticas para aplicações práticas e em larga escala.
Implicações da indústria?
Embora não seja abordado especificamente no artigo, o uso da IA na identificação de maneiras mais simples e eficientes de gerar dicas de emaranhamento quântico é uma ajuda necessária para todo o ecossistema da computação quântica. Ao ir além da percepção humana e dos processos estabelecidos, algoritmos como o PyTheus podem descobrir rapidamente novos princípios fundamentais que eliminam a complexidade, reduzem recursos e simplificam os experimentos quânticos.
Esta abordagem, por si só, também pode ajudar engenheiros e investigadores a aceder rapidamente a redes quânticas mais vulneráveis, estabelecendo as bases não só para avanços na comunicação segura, mas também para a invenção mais ampla de sensores quânticos, simuladores e, finalmente, computadores quânticos funcionais.
Para uma visão mais técnica do experimento, revise o artigo disponível em Physical Review Letters e arXiv.
Além de Krenn, os autores do estudo incluem Kai Wang e Zhaohua Hou – que contribuíram igualmente – e Kaiyi Qian, Leizhen Chen, Shining Zhu e Xiao-Song Ma, todos do Laboratório Nacional de Microestruturas de Estado Sólido da Escola de Física. e o Centro de Inovação Colaborativa de Microestruturas Avançadas da Universidade de Nanjing, na China.
