Os computadores quânticos ainda são um sonho, mas a era das comunicações quânticas chegou. Um novo experimento, realizado em Paris, mostrou pela primeira vez que a comunicação quântica é superior aos métodos clássicos de transmissão de informações.
“Fomos os primeiros a demonstrar superioridade quântica na transmissão de informações de que duas partes precisam para concluir uma tarefa”, diz Eleni Diamanti, engenheira elétrica da Universidade Sorbonne e coautora do estudo.
Espera-se que as máquinas quânticas - que usam as propriedades quânticas da matéria para codificar informações - revolucionem a computação. Mas o progresso nesta área tem sido extremamente lento. Enquanto os engenheiros trabalham para criar computadores quânticos rudimentares, os cientistas teóricos enfrentam um obstáculo mais fundamental: eles não conseguiram provar que os computadores clássicos nunca podem completar as tarefas para as quais os computadores quânticos foram projetados. No verão passado, por exemplo, um cara do Texas provou que um problema que por muito tempo foi considerado resolvível apenas em um computador quântico pode ser resolvido rapidamente em um computador clássico.
Bem-vindo à era quântica
No entanto, no campo das comunicações (não computação), os benefícios da abordagem quântica podem ser confirmados. Mais de uma década atrás, os cientistas provaram que, pelo menos em teoria, a comunicação quântica é superior às formas clássicas de enviar mensagens para tarefas específicas.
“As pessoas estavam principalmente envolvidas em tarefas de computação. Uma das grandes vantagens é que, no caso de tarefas de comunicação, os benefícios são demonstráveis.”
Em 2004, Jordanis Kerenidis, coautor do trabalho de Diamanti, e dois outros cientistas apresentaram um cenário em que uma pessoa precisava enviar informações a outra para que uma segunda pessoa pudesse responder a uma determinada pergunta. Os pesquisadores provaram que um circuito quântico pode realizar uma tarefa transferindo exponencialmente menos informações do que um sistema clássico. Mas o circuito quântico que eles apresentaram era puramente teórico - e muito além da tecnologia da época.
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“Conseguimos confirmar essa vantagem quântica, mas foi extremamente difícil implementar o protocolo quântico”, diz Kerenidis.
O novo trabalho é uma versão modificada do script idealizado por Kerenidis e seus colegas. Como de costume, vamos abordar dois assuntos, Alice e Bob. Alice tem um conjunto de bolas numeradas. Cada bola é colorida aleatoriamente em vermelho ou azul. Bob quer saber se um determinado par de bolas, escolhido ao acaso, tem a mesma cor ou são diferentes. Alice deseja enviar a Bob o mínimo de informações possível, garantindo ao mesmo tempo que Bob possa responder à sua pergunta.
Esse problema é conhecido como "problema de correspondência de padrões". É essencial para criptografia e moedas digitais, onde os usuários geralmente desejam trocar informações sem divulgar tudo o que sabem. Também demonstra perfeitamente os benefícios da comunicação quântica.
Você não pode simplesmente dizer: quero enviar a você um filme ou algo do tamanho de um gigabyte e codificá-lo em um estado quântico, esperando encontrar uma vantagem quântica, diz Thomas Vidick, um cientista da computação do California Institute of Technology. "Precisamos considerar tarefas mais sutis."
Para obter a solução clássica do problema de correspondência, Alice deve enviar a Bob uma quantidade de informações proporcional à raiz quadrada do número de bolas. Mas a natureza incomum da informação quântica torna possível uma solução mais eficiente.
No circuito de laboratório usado no novo trabalho, Alice e Bob se comunicam por meio de pulsos de laser. Cada impulso representa uma bola. Os pulsos passam por um divisor de feixe, que envia metade de cada pulso para Alice e Bob. Quando o pulso atinge Alice, ela pode mudar a fase do pulso do laser para codificar informações sobre cada bola - dependendo de sua cor, vermelho ou azul.
Enquanto isso, Bob codifica informações sobre os pares de bolas que o interessam em sua metade dos pulsos de laser. Em seguida, os pulsos convergem em outro divisor de feixe, onde interferem uns com os outros. O padrão de interferência produzido pelos pulsos reflete as diferenças em como as fases de cada pulso foram alteradas. Bob pode ler o padrão de interferência no detector de fótons mais próximo.
Até o momento em que Bob "lê" a mensagem laser de Alice, a mensagem quântica de Alice é capaz de responder a qualquer pergunta sobre qualquer par. Mas o processo de leitura da mensagem quântica a destrói e Bob recebe informações sobre apenas um par de bolas.
Essa propriedade da informação quântica - que pode ser lida de muitas maneiras diferentes, mas no final das contas apenas uma vai lê-la - reduz muito a quantidade de informação que pode ser transmitida para resolver o problema de correspondência da amostra. Se Alice precisa enviar 100 bits clássicos para Bob para que ele possa responder à sua pergunta, ela pode fazer a mesma tarefa com cerca de 10 qubits, ou bits quânticos.
Esta é a prova de princípio necessária para criar uma verdadeira rede quântica, diz Graham Smith, um físico da JILA em Boulder, Colorado.
O novo experimento é um claro triunfo sobre os métodos clássicos. Os pesquisadores iniciaram o experimento sabendo exatamente quanta informação precisava ser transmitida da forma clássica para resolver o problema. Em seguida, eles demonstraram de forma convincente que as ferramentas quânticas podem resolvê-lo de uma forma mais compacta.
Esse resultado também oferece uma rota alternativa para um objetivo antigo da ciência da computação: provar que os computadores quânticos são superiores aos computadores clássicos.
Ilya Khel
