De todos os suportes suscetíveis de transmitir informação, a luz é obviamente o mais rápido, e o uso de suas propriedades quânticas pode, além disso, torná-la um meio de comunicação incondicionalmente seguro. A codificação da informação quântica na luz passa pela definição de bits quânticos, ou qubits, esses famosos blocos básicos do cálculo quântico.
Figura: A informação quântica é codificada em variáveis coletivas dos fótons (como a média das frequências dos fótons) na forma de um pente de frequência (aqui, a variável Ω1). As outras variáveis coletivas (agrupadas na variável Ω⊥) não carregam informação e não são medidas. Assim, os efeitos do deslocamento (ruído) de um fóton têm menor efeito no pente, tornando-o mais robusto às perturbações. Esse efeito é tanto menor quanto maior for o número de fótons do pente n, já que depende do inverso dessa quantidade.
© P. Milman.
No entanto, seja na comunicação ou no cálculo quântico, a informação quântica é extraordinariamente frágil, e erros de manipulação, perdas de fótons, ou o acoplamento entre a luz e campos parasitas podem destruir a informação quântica.
Para contrariar esses efeitos, pesquisadores e pesquisadoras em informática e física desenvolveram estratégias, como por exemplo os códigos de correção de erros quânticos. Inspirados em seus análogos clássicos, os códigos quânticos baseiam-se na redundância, através da codificação da informação em estados quânticos que incluem vários qubits (em vez de apenas um), e na medição de suas propriedades coletivas - como por exemplo sua paridade.
No contexto da óptica quântica, esses códigos baseiam-se na produção de estados complexos que fornecem informações sobre a degradação da informação que carregam, quando medidos astutamente. A realização experimental de tais estados, no entanto, é difícil, apesar de sua importância e interesse.
Em um trabalho recente, pesquisadores e pesquisadoras do CNRS e das Universidades Paris-Diderot e Paris-Saclay, no Laboratório Materiais e Fenômenos Quânticos (MPQ, CNRS / Université Paris Cité), mostraram que dispositivos não-lineares que convertem um fóton de um feixe de laser em um par de fótons “gêmeos”, emaranhados em frequência, produzem naturalmente um estado robusto frente a erros e que pode ser corrigido quando perturbado. De fato, o dispositivo não-linear que permite a conversão dos fótons cria um pente de frequência coletivo onde todos os fótons estão emaranhados quando colocado em uma cavidade óptica (ver a figura).
Ao se interessar pelas variáveis coletivas desse sistema (como, por exemplo, a média das frequências dos fótons), é possível ver esse pente como um código de correção de erro. Os dispositivos que geram pares de fótons com tais propriedades - que são, até o momento, os maiores estados fotônicos permitindo a correção de erros em óptica quântica - existem em diferentes laboratórios.
Esses resultados abrem perspectivas de desenvolvimento de ferramentas experimentais que permitem a manipulação desses estados em maior escala e seu uso em aplicações como as comunicações quânticas. Eles são publicados na Physical Review Letters.
Referências:
Gottesman-Kitaev-Preskill encoding in continuous modal variables of single photons, Éloi Descamps, Arne Keller e Pérola Milman, Physical Review Letters, publicado em 26 de abril de 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevLett.132.170601
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