Pesquisadores demonstraram com sucesso a entropia de emaranhamento negativo usando circuitos elétricos clássicos como substitutos para sistemas quânticos complexos, fornecendo um modelo prático para explorar fenômenos quânticos exóticos e avançar a tecnologia da informação quântica.

A entropia de emaranhamento quantifica o grau de interconexão entre diferentes partes de um sistema quântico. Ela indica quanta informação sobre uma parte revela sobre outra, descobrindo correlações ocultas entre partículas. Este conceito é essencial para o avanço da computação quântica e das tecnologias de comunicação quântica.

Para entender o que significa entropia de emaranhamento negativa, primeiro precisamos saber o que são emaranhamento e entropia.

Emaranhamento e Entropia em poucas palavras

Imagine que você tem duas moedas. Normalmente, se você joga uma moeda, isso não afeta os resultados de jogar a outra. Mas no mundo quântico, as partículas podem se tornar “emaranhadas”, o que significa que seus estados estão vinculados. Se duas moedas estão emaranhadas, a regra do emaranhamento pode ser tal que quando uma moeda é jogada em cara, a outra moeda deve mostrar coroa. Em essência, saber o resultado de uma restringe os resultados possíveis para a outra.

Por outro lado, entropia é um conceito da física estatística que mede a desordem ou incerteza de um sistema. Por exemplo, um quarto bagunçado tem alta entropia porque as coisas estão espalhadas por todo lugar, e é difícil prever onde qualquer item específico está. Um quarto arrumado tem baixa entropia porque tudo está em seu lugar, tornando mais fácil encontrar as coisas.

Entropia de emaranhamento

Ao juntar, a “entropia de emaranhamento” mede quanta informação você perde sobre uma parte de um sistema se outra parte do sistema de repente se torna inacessível, ou seja, é truncada por um chamado “corte de emaranhamento”. Intuitivamente, quanto mais emaranhadas as duas partes estiverem, mais informação será perdida.

Uma analogia simples para entender a entropia de emaranhamento é imaginar um par de meias. Você coloca uma meia em uma gaveta e a outra meia em outra gaveta. Se as meias estiverem “emaranhadas”, então saber a cor da meia em uma gaveta imediatamente lhe diz a cor da meia na outra gaveta. Aqui, duas situações podem surgir:

• Alto Emaranhamento: Se as cores das duas meias forem quase perfeitamente correlacionadas, então saber a cor de uma meia lhe dará informações quase perfeitas sobre a outra. Em particular, se uma meia de repente se tornar inacessível, também se perderia o conhecimento da cor da outra meia.
• Baixo Emaranhamento: Se as cores das meias são essencialmente não correlacionadas, então saber a cor de uma meia não torna alguém mais certo sobre a cor da outra. Em particular, se uma meia de repente se torna inacessível, não haverá mais incerteza, ou seja, entropia em relação à cor da outra meia.

Entropia de emaranhamento negativo

A mecânica quântica convencional só se preocupa com sistemas conservativos onde partículas e energia não são destruídas ou feitas. No entanto, uma nova física intrigante surge quando essa restrição é levantada – na analogia da meia, onde meias podem ser removidas ou adicionadas ao sistema. Tais sistemas são conhecidos como sistemas “Não Hermitianos”.

Em sistemas não-hermitianos, o conceito de emaranhamento precisa ser modificado, porque informações também podem ser perdidas quando o número de partículas muda. Em particular, ganhar novas meias e suas informações pode ser interpretado como dar uma quantidade negativa de informações de meias para outros. Isso leva ao novo conceito de entropia de emaranhamento negativa.

Embora a receita teórica para atingir a entropia de emaranhamento negativo em um sistema quântico não hermitiano tenha sido pensada há alguns anos, observar o emaranhamento negativo em experimentos quânticos não pode ser feito facilmente. Isso se deve aos desafios significativos na manipulação de estados quânticos intrincados de forma que eles ganhem ou percam energia, enquanto ao mesmo tempo também medem o quão emaranhados eles estão.

Estados de ligação excepcionais e entropia de emaranhamento negativa em circuitos elétricos

Relatório em Boletim Científicofísicos de Cingapura e China observaram experimentalmente estados elusivos que matematicamente possuem entropia de emaranhamento negativo. Em vez de usar um sistema quântico, a equipe de pesquisa empregou um circuito elétrico não quântico (ou clássico) para gerar um sistema ‘sandbox’ que é matematicamente idêntico a um sistema com emaranhamento negativo, mas sem os desafios que acompanham os verdadeiros sistemas quânticos. Esses circuitos elétricos clássicos são construídos com componentes eletrônicos facilmente disponíveis, como resistores, capacitores e amplificadores operacionais, sem a necessidade de resfriamento criogênico ultrabaixo e lasers de alta precisão necessários em um sistema quântico.

“Os estados EB são altamente robustos e exibem assinaturas mensuráveis ​​proeminentes, facilitando assim muito sua realização física em redes clássicas relativamente simples, como circuitos elétricos, sem a necessidade de ajuste fino”, disse o professor Xiangdong Zhang do Instituto de Tecnologia de Pequim, cuja equipe de pesquisa forneceu as medições experimentais dos estados EB usando circuitos elétricos.

“Uma questão muito pertinente que sempre quisemos responder é: o comportamento esotérico de emaranhamento negativo pode se manifestar em experimentos realistas? Neste trabalho, fornecemos um “sim” afirmativo por meio do novo conceito de estados de ligação excepcionais (EB)”, disse o líder do projeto, Professor Assistente Ching Hua Lee da Universidade Nacional de Cingapura.

“Os estados EB são estados especiais que fornecem as principais impressões digitais para o emaranhamento negativo”, disse o professor Haiyu Meng da Universidade Xiangtan, coautor deste trabalho. Sempre que o sistema hospedeiro se torna muito sensível devido à não-hermiticidade, os estados EB podem surgir como uma consequência direta do emaranhamento negativo.

“Este trabalho sugere circuitos elétricos clássicos como um novo campo de caça para a busca de fenômenos quânticos exóticos que, de outra forma, seriam desafiadores de realizar usando átomos e cristais materiais. Devido à sua facilidade de fabricação, os circuitos elétricos podem oferecer uma caixa de areia de baixo custo para projetar e prototipar dispositivos úteis para a futura tecnologia quântica”, disse o professor assistente Yee Sin Ang da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura, coautor deste trabalho.

A demonstração da entropia de emaranhamento negativo pode ter um impacto profundo em muitas áreas da física e engenharia, particularmente tecnologia da informação quântica. Daqui para frente, estados EB e circuitos elétricos podem ser usados ​​para sondar física exótica em dimensões superiores, inaugurando assim uma nova arena fértil para a interação tripla da física topológica, não-hermitiana e EB.

Referência: “Observação experimental de estados ligados excepcionais em uma rede de circuitos clássicos” por Deyuan Zou, Tian Chen, Haiyu Meng, Yee Sin Ang, Xiangdong Zhang e Ching Hua Lee, 29 de maio de 2024, Boletim Científico.
DOI: 10.1016/j.scib.2024.05.036