Teletransporte é realizado pela primeira vez envolvendo matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica

Envolver elétrons no teletransporte é importante porque permite usar semicondutores nos computadores quânticos.
[Imagem: J. Adam Fenster/Rochester]

Teletransporte de informações

Embora o teletransporte de seres humanos e objetos grandes exista por enquanto apenas na ficção científica - a maior "sala de teletransporte" existente hoje tem o tamanho de um chip - o teletransporte no mundo subatômico da mecânica quântica já é uma realidade há algum tempo.

No mundo quântico, o teletransporte tem envolvido o transporte de informações, e não o transporte de matéria - o mais avançado dos experimentos está tentando teletransportar a memória de um organismo vivo.

No ano passado, os cientistas confirmaram que as informações podem ser passadas entre fótons em chips de computador mesmo quando os fótons não estão fisicamente ligados - eles teletransportaram uma operação lógica inteira.

Com tantos progressos, começam a surgir indícios de que o teletransporte também possa ser feito envolvendo a matéria.

Teletransporte envolvendo a matéria

Experimentos realizados por uma equipe das universidades de Rochester e Purdue, nos EUA, mostraram agora que o teletransporte também pode ser possível entre elétrons.

Este é um passo importante na melhoria da computação quântica porque os qubits feitos de elétrons individuais são promissores para transmitir informações nos bem conhecidos semicondutores da eletrônica atual, não exigindo os supercondutores, diamantes e outras plataformas de qubits usadas atualmente.

"Elétrons individuais são qubits promissores porque interagem muito facilmente entre si, e qubits de elétrons individuais em semicondutores também são escalonáveis. A criação confiável de interações de longa distância entre elétrons é essencial para a computação quântica," explicou o professor John Nichol, membro da equipe.

Até agora vinha se mostrando difícil criar pares entrelaçados de qubits de elétrons que operassem a longas distâncias - o que é necessário para o teletransporte - porque os elétrons geralmente ficam confinados em um único local, ao contrário dos fótons, que se propagam naturalmente por longas distâncias.

Micrografia ilustrada do semicondutor usado no teletransporte e esquema da transferência de informações entre elétrons.
[Imagem: Haifeng Qiao et al. - 10.1038/s41467-020-16745-0]

Qubits de elétrons

O pesquisador Haifeng Qiao teve uma ideia inusitada para lidar com esse problema: Ele utilizou uma técnica recentemente desenvolvida, baseada nos princípios do acoplamento de troca de Heisenberg.

Um elétron individual é como um ímã comum, com um polo norte e um polo sul, que podem apontar para cima ou para baixo. A direção do polo - se o polo norte está apontando para cima ou para baixo, por exemplo - é conhecida como "spin" do elétron, momento magnético do elétron ou estado de rotação quântica. Quando várias dessas partículas têm o mesmo momento magnético, elas não podem estar no mesmo lugar ao mesmo tempo, um fenômeno chamado superposição, que é comum no reino quântico. Ou seja, dois elétrons no mesmo estado quântico não podem ser superpostos porque seus estados se alternariam no tempo.

Os pesquisadores então usaram a técnica para distribuir os pares entrelaçados de elétrons e teletransportar seus estados de spin.

"Nós fornecemos evidências para 'troca de emaranhamento', na qual criamos emaranhamento entre dois elétrons, mesmo que as partículas nunca interajam, e o 'teletransporte de porta quântica', uma técnica potencialmente útil para computação quântica usando teletransporte," disse Nichol. "Nosso trabalho mostra que isso pode ser feito mesmo sem fótons".

Estes experimentos abrem caminho para realizar o teletransporte quântico envolvendo estados de spin de toda a matéria, e não apenas dos fótons, e fornecem mais evidências para as capacidades surpreendentemente úteis dos elétrons individuais como qubits em semicondutores.

Teletransporte quântico

O teletransporte quântico é uma demonstração do que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", mas hoje mais conhecido como entrelaçamento quântico.

No entrelaçamento - um dos conceitos básicos da física quântica - as propriedades de uma partícula afetam as propriedades de outra, mesmo quando as partículas são separadas por uma grande distância - de fato, qualquer distância. O teletransporte quântico envolve duas partículas distantes entrelaçadas, quando o estado de uma terceira partícula "teleporta" instantaneamente seu estado para as duas partículas entrelaçadas.

Um bit de um computador eletrônico atual possui um único valor binário, que pode ser "0" ou "1", mas os qubits dos computadores quânticos podem ser "0" e "1" ao mesmo tempo, devido ao fenômeno da superposição. E eles se comunicam uns com os outros não por eletricidade percorrendo fios de cobre dentro dos chips, mas teletransportando as informações de forma instantânea. Essas capacidades estão na base do grande potencial dos computadores quânticos.

Bibliografia:

Artigo: Conditional teleportation of quantum-dot spin states
Autores: Haifeng Qiao, Yadav P. Kandel, Sreenath K. Manikandan, Andrew N. Jordan, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, John M. Nichol
Revista: Nature Communications
Vol.: 11, Article number: 3022
DOI: 10.1038/s41467-020-16745-0
Link: https://arxiv.org/abs/2001.02277

Artigo: Coherent multi-spin exchange in a quantum-dot spin chain
Autores: Haifeng Qiao, Yadav P. Kandel, Kuangyin Deng, Saeed Fallahi, Geoffrey C. Gardner, Michael J. Manfra, Edwin Barnes, John M. Nichol
Revista: Physical Review X