Qubits trocam informações mais rápido que velocidade da luz

Com informações da New Scientist - 11/05/2023

Vista parcial da conexão de 30 metros de comprimento entre os dois qubits. O tubo de vácuo contém um guia de onda de micro-ondas que é resfriado a cerca de -273°C e conecta os dois circuitos supercondutores.
[Imagem: ETH Zurich/Daniel Winkler(foto) e Simon Storz et al. - 10.1038/s41586-023-05885-0 (diagrama)]

Entrelaçamento a toda prova

Talvez possa soar estranho provar que um computador quântico é de fato quântico, mas estamos longe de compreender em profundidade todos os processos que ocorrem nesse nível da matéria, e sempre existe a possibilidade de que a realidade seja mais rica do que nossas teorias, e que os fenômenos observados ocorram por razões diferentes das que acreditamos.

Mas foi justamente esta prova que obtivemos agora: Pela primeira vez, um qubit supercondutor passou no teste de Bell, o principal teste em física para confirmar o comportamento quântico de um sistema.

Esses circuitos supercondutores são os mais usados hoje como qubits em computadores quânticos, e esse teste prova que seus bits quânticos estão realmente entrelaçados.

Quando duas partículas estão entrelaçadas - ou emaranhadas - medir as características de uma afeta instantaneamente as características medidas da outra. Isso significa que os efeitos do entrelaçamento devem viajar mais rápido do que a luz para que uma partícula influencie instantaneamente a outra.

O teste para esse efeito quântico é chamado de desigualdade de Bell, que estabelece um limite para a frequência com que as partículas podem acabar no mesmo estado por acaso, sem a presença de um entrelaçamento real - ou seja, violar a desigualdade de Bell é a prova de que um par de partículas está, de fato, entrelaçado.

Para fazer o teste de Bell, os dois sistemas entrelaçados devem estar distantes o suficiente para que um sinal não possa viajar entre eles na velocidade da luz no tempo necessário para medir os dois sistemas. Isso é difícil de testar em um circuito supercondutor, porque tudo precisa ser mantido em temperaturas próximas ao zero absoluto.

Pela primeira vez, Simon Storz e seus colegas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia conseguiram fazer isto - testes de Bell já foram realizados em muitos sistemas mais simples, como elétrons e fótons, mas nunca em um circuito supercondutor.

Esquema do teste de Bell realizados entre os qubits supercondutores (A e B).
[Imagem: Simon Storz et al. - 10.1038/s41586-023-05885-0]

Informações mais rápidas que a luz

O experimento consistiu em isolar cada qubit, colocar os dois em entrelaçamento, e então conectar os dois usando micro-ondas enviadas por um tubo de alumínio de 30 metros de comprimento. Um gerador de números aleatórios foi usado para decidir que tipo de medição fazer nos qubits, para evitar qualquer viés humano.

Foram realizadas mais de 4 milhões de medições a uma taxa de 12.500 medições por segundo, uma velocidade mais do que suficiente para garantir que cada par de medições ocorresse mais rápido do que a luz poderia percorrer o tubo entre os dois qubits.

Em conjunto, os dados mostram com alto nível de certeza que a desigualdade de Bell foi violada e os qubits estavam realmente passando pelo que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", algo que nenhum modelo de variável oculta local pode explicar.

"O teste confirma a capacidade da plataforma de explorar esses recursos quânticos exclusivos para aplicações tecnológicas," disse Storz.

Diagrama espaço-tempo do experimento, com as temporizações em nanossegundos (ns).
[Imagem: Simon Storz et al. - 10.1038/s41586-023-05885-0]

Supercomputadores quânticos

O sucesso em conectar os qubits a 30 metros um do outro é particularmente promissor para comprovar a possibilidade técnica de interconectar qubits a distâncias muito maiores do que as que serão necessárias para fazer milhares deles funcionarem dentro de processadores quânticos.

"Este é um caminho potencial para ampliar computadores quânticos baseados em circuitos supercondutores, por exemplo, em futuros centros semelhantes a supercomputadores quânticos," disse Storz.

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