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Bits quânticos comprimidos pela primeira vez

Físicos mostraram como codificar três bits quânticos  usando apenas dois fótons, tecnologia promissora para computação

 

Steve Jurvetson via Flickr
Muitos tipos de informação – incluindo imagens em formato JPEG do processador quântico mais recente da D-Wave – podem ser comprimidos para ocupar menos espaço, mas em computadores quânticos a façanha apresenta desafios únicos.
Por Edwin Cartlidge e Revista Nature

Sem algoritmos que comprimem dados para codificar informações em menos bits, discos rígidos ficariam entupidos e o tráfego da Internet ocorreria a passo de lesma. Agora, um grupo de físicos do Canadá mostrou pela primeira vez que é possível comprimir o tipo de dados que podem ser usados nos computadores do futuro – conhecidos como bits quânticos, ou qubits.

Computadores quânticos prometem executar certas tarefas, como quebrar chaves de encriptação ou realizar buscas em bases de dados, a velocidades exponencialmente maiores que computadores convencionais. Essa velocidade é possível em parte porque, enquanto em um computador clássico um bit de informação pode ser um 0 ou um 1, um computador quântico pode armazenar informações com os dois valores simultaneamente, então isso pode existir em uma vasta gama de ‘superposições’ dos dois estados.

A tecnologia quântica ainda está em sua infância, e muitos processos que são comuns em computadores clássicos ainda precisam ser demonstrados em computadores quânticos, incluindo a compressão de dados.

Aephraim Steinberg, físico quântico da University of Toronto, e seus colegas, resolveram executar o que poderia parecer uma tarefa simples: comprimir as informações contidas em vários qubits idênticos.

Eles apontam que essa seria uma operação classicamente trivial, porque uma série de qualquer número de bits idênticos codifica essencialmente a mesma informação como apenas um bit.

Para objetos quânticos, porém, não é isso que acontece.

A natureza probabilística da mecânica quântica significa que a mesma medida realizada com qubits distintos, mas identicamente preparados, produzirá valores diferentes. Dessa forma, registrar de maneira precisa o estado quântico de um único qubit envolve realizar medidas de várias cópias idênticas dele, e fazer uma média dos resultados.

A importância da ordem

Steinberg e seus colegas mostraram como reduzir a proliferação de qubits ao explorar o fato de que a maioria das informações codificadas por eles tem relação com seu ordenamento, e não com seu estado quântico.

Se três qubits, por exemplo, estiverem individualmente em uma superposição de 0 e 1, medí-los produziria oito resultados possíveis: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 ou 111. Mas só haveria quatro opções para as médias resultantes: 0, 1/3, 2/3 ou 1.

 No caso, 001 produz (0+0+1)/3 = 1/3, assim como 010 e 100 (os mesmos dígitos, mas em ordem diferente); 110 produz (1+1+0)/3=2/3, bem como 101 e 011.

Os pesquisadores explicam que, como os qubits são idênticos, a informação extra no ordenamento pode ser simplesmente descartada. Para provar seu argumento, Steinberg usa uma analogia da física clássica. “Guardar todas essas informações”, declara ele, “é como armazenar os trabalhos completos de Shakespeare apenas para descobrir as taxas médias com que letras são usadas na língua inglesa”.

Os resultados devem aparecer no periódico Physical Review Letters.

A pesquisa se baseia no trabalho de um grupo de físicos teóricos conduzido por Isaac Chuang do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em Cambridge, que em 2006 mostrou matematicamente que é possível construir um circuito que pode separar a permutação e o estado de informação de qubits em registros distintos.

Steinberg e seus colegas demonstraram experimentalmente uma versão prática dessa ideia com três qubits, usando um laser e outros componentes óticos.

Normalmente cada qubit fica codificado em um fóton, mas os autores fizeram melhor que isso, usando apenas dois fótons para codificar três qubits.

Eles codificaram os dois primeiros qubits usando a polarização e a informação da rota de um fóton, e o terceiro qubit usando a polarização de um segundo fóton.  

É assim que se faz

Comprimir os dados de três qubits em dois pode parecer pouca coisa, mas a equipe declara que essa taxa crescerá exponencialmente conforme o número de qubits aumenta, com a informação de estado de mil qubits representada por apenas 10, e a de um milhão de qubits comprimida em 20.

Alexander Korotkov, porém, físico quântico da University of California, Riverside, que não se envolveu no trabalho mais recente, aponta que o esquema de compressão dos autores não é adequado a computadores quânticos de propósito geral, que usam qubits altamente correlatos ou ‘emaranhados’.

Dois qubits, por exemplo, poderiam estar individualmente em uma superposição de 1 e 0; quando medidos, porém, eles podem sempre ser encontrados em estados opostos, 10 ou 01.

Além disso, Martin Plesch, físico teórico da Academia de Ciências da Eslováquia em Bratislava, declara que escalonar a abordagem para números maiores de fótons poderia ser difícil.

Steinberg reconhece as dificuldades, sugerindo que isso poderia ajudar a comprimir qubits usando íons presos ou supercondutores em vez de fótons. “Os problemas que enfrentamos são exatamente os mesmos de construir um grande computador quântico”, conclui ele.

Este artigo foi reproduzido com permissão e foi publicado pela primeira vez em 29 de setembro de 2014.