Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Luz Estruturada em Universidade de WitwatersrandA África do Sul fez progressos significativos em relação ao emaranhamento quântico.

Liderado pelo professor Andrew Forbes, em colaboração com o renomado cientista de cordas Robert de Mello Koch, que agora está no Universidade de Huzhou Na China, a equipe demonstrou com sucesso uma nova maneira de manipular partículas quânticas emaranhadas sem alterar suas propriedades intrínsecas.

Este feito representa um grande passo na nossa compreensão e aplicação do emaranhamento quântico.

Topologia em emaranhamento quântico

“Conseguimos isso entrelaçando dois fótons idênticos e atribuindo-lhes uma função de onda comum, “explica Pedro Ornelas, aluno de mestrado e autor principal do estudo.” Este processo torna clara a sua estrutura coletiva, ou topologia, apenas quando são considerados como um entidade única.”

Este experimento gira em torno do conceito de emaranhamento quântico, conhecido como “ação assustadora à distância”, onde as partículas influenciam os estados umas das outras, mesmo quando separadas por grandes distâncias.

A topologia desempenha um papel crucial neste contexto. Ele garante que certas propriedades sejam preservadas, assim como uma xícara de café e uma rosquinha são topologicamente equivalentes devido ao seu orifício único e imutável.

“Nossos fótons emaranhados são semelhantes”, explica o professor Forbes. “Seu emaranhado é flexível, mas algumas propriedades permanecem constantes.”

O estudo analisa especificamente a topologia Skyrmion, um conceito introduzido por Tony Skyrmion na década de 1980. Neste cenário, a topologia refere-se a uma propriedade geral que permanece inalterada, como a textura de um tecido, independentemente de como é tratada.

Aplicações do emaranhamento quântico

Skyrmions, que foram inicialmente estudados em materiais magnéticos, cristais líquidos e seus equivalentes ópticos, foram elogiados na física da matéria condensada por sua estabilidade e potencial em tecnologia de armazenamento de dados.

“Nosso objetivo é alcançar efeitos transformadores semelhantes com nossos skyrmions emaranhados quânticos”, acrescenta Forbes. Ao contrário de pesquisas anteriores que limitaram a localização dos Skyrmions a um único ponto, este estudo apresenta uma mudança de paradigma.

Como diz Ornelas: “Agora entendemos que a topologia, tradicionalmente vista como local, pode na verdade ser não local, compartilhada entre entidades espacialmente separadas”.

Assim, a equipe propõe usar a topologia como um sistema de classificação para estados emaranhados. Dr. Ishaq Naib, co-pesquisador, compara isso a um alfabeto de estados emaranhados.

“Assim como diferenciamos campos e donuts por seus buracos, nossos skyrmions quânticos podem ser classificados por suas características topológicas”, explica ele.

Ideias-chave e pesquisas futuras

Esta descoberta abre portas para novos protocolos de comunicação quântica, que usam a topologia como meio de processamento de informações quânticas.

Tais protocolos poderiam revolucionar a forma como as informações são codificadas e transmitidas em sistemas quânticos, especialmente em cenários onde os métodos tradicionais de criptografia falham devido ao emaranhamento mínimo.

O resultado final é que a importância desta pesquisa reside na possibilidade de aplicá-la no terreno. Durante décadas, manter estados interligados tem sido um grande desafio.

As descobertas da equipe sugerem que a topologia pode permanecer intacta mesmo quando o emaranhamento diminui, fornecendo um novo mecanismo de criptografia para sistemas quânticos.

O professor Forbes conclui com uma declaração prospectiva, dizendo: “Agora estamos prontos para definir novos protocolos e explorar o amplo cenário de estados quânticos não locais, o que poderia revolucionar a forma como abordamos as comunicações quânticas e o processamento de informações”.

Mais sobre emaranhamento quântico

Conforme discutido acima, o emaranhamento quântico é um fenômeno fascinante e complexo no mundo da física quântica.

É um processo físico no qual pares ou grupos de partículas criam, interagem ou compartilham proximidade espacial de maneiras tais que o estado quântico de cada partícula não pode ser descrito independentemente do estado das outras partículas, mesmo quando as partículas estão separadas por um grande distância. .

Descoberta e contexto histórico

O emaranhamento quântico foi teorizado pela primeira vez em 1935 por Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen. Eles propuseram o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), desafiando a integridade da mecânica quântica.

Einstein referiu-se ao emaranhamento como “ação assustadora à distância”, expressando desconforto com a ideia de que as partículas poderiam influenciar umas às outras instantaneamente ao longo de grandes distâncias.

Princípios do emaranhamento quântico

No cerne do emaranhamento quântico está o conceito de superposição. Na mecânica quântica, partículas como elétrons e fótons existem em um estado de superposição, o que significa que podem estar em vários estados simultaneamente.

Quando duas partículas estão emaranhadas, elas estão relacionadas de tal forma que o estado de uma (seja rotação, posição, momento ou polarização) é instantaneamente relacionado ao estado da outra, não importa quão distantes estejam.

Emaranhamento quântico em computação e comunicações

O emaranhamento quântico desafia as noções clássicas de leis físicas. Indica que a informação pode ser transmitida mais rapidamente do que a velocidade da luz, o que contradiz a teoria da relatividade de Einstein.

Contudo, isto não significa que a informação utilizável seja transferida imediatamente, o que violaria a causalidade; Pelo contrário, implica uma interligação profundamente enraizada ao nível quântico.

Uma das aplicações mais interessantes do emaranhamento quântico está no campo da computação quântica. Os computadores quânticos usam estados emaranhados para realizar cálculos complexos em velocidades que não podem ser alcançadas pelos computadores clássicos.

Nas comunicações quânticas, o emaranhamento é a chave para o desenvolvimento de sistemas de comunicações altamente seguros, como a criptografia quântica e a distribuição quântica de chaves, que são teoricamente imunes a hackers.

Validação empírica e pesquisas atuais

Desde o seu início teórico, o emaranhamento quântico foi comprovado experimentalmente várias vezes, sublinhando a sua natureza estranha e contra-intuitiva.

Os mais famosos são os experimentos de teste de Bell, que forneceram evidências importantes contra as teorias de variáveis ​​ocultas locais e a favor da mecânica quântica.

Em suma, o emaranhamento quântico, a pedra angular da mecânica quântica, continua a ser um tema de intensa investigação e debate. A sua natureza intrigante desafia a nossa compreensão do mundo físico e abre caminho para desenvolvimentos potencialmente revolucionários na tecnologia.

À medida que a investigação avança, poderemos encontrar aplicações mais práticas para este estranho fenómeno, desvendando mais segredos do universo quântico.

O estudo completo foi publicado na revista Fotônica da natureza.

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