Bartosz Regula do Centro RIKEN de Computação Quântica e Ludovico Lami da Universidade de Amsterdã demonstraram por meio de cálculos probabilísticos a existência de uma regra de “entropia” para o emaranhamento quântico. Esta descoberta pode aumentar nossa compreensão do emaranhamento quântico, um recurso crucial que sustenta o potencial dos futuros computadores quânticos. Embora o emaranhamento quântico tenha sido um foco de pesquisa na ciência da informação quântica por décadas, métodos ótimos para sua utilização efetiva permanecem amplamente desconhecidos.

A segunda lei da termodinâmica, que diz que um sistema nunca pode se mover para um estado com menor “entropia”, ou ordem, é uma das leis mais fundamentais da natureza e está no cerne da física. É o que cria a “flecha do tempo” e nos conta o fato notável de que a dinâmica de sistemas físicos gerais, mesmo os extremamente complexos, como gases ou buracos negros, são encapsulados por uma única função, sua “entropia”.

Desafios no emaranhamento quântico

Há uma complicação, no entanto. O princípio da entropia é conhecido por se aplicar a todos os sistemas clássicos, mas hoje estamos explorando cada vez mais o mundo quântico. Estamos passando por uma revolução quântica, e se torna crucialmente importante entender como podemos extrair e transformar os recursos quânticos caros e frágeis. Em particular, o emaranhamento quântico, que permite vantagens significativas em comunicação, computação e criptografia, é crucial, mas devido à sua estrutura extremamente complexa, manipulá-lo eficientemente e até mesmo entender suas propriedades básicas é tipicamente muito mais desafiador do que no caso da termodinâmica.

A dificuldade reside no fato de que tal “segunda lei” para o emaranhamento quântico exigiria que mostrássemos que as transformações de emaranhamento podem ser feitas reversívelassim como trabalho e calor podem ser interconvertidos em termodinâmica. Sabe-se que a reversibilidade do emaranhamento é muito mais difícil de garantir do que a reversibilidade das transformações termodinâmicas, e todas as tentativas anteriores de estabelecer qualquer forma de uma teoria reversível do emaranhamento falharam. Suspeitou-se até que o emaranhamento pudesse ser irreversível, tornando a busca impossível.

Avanço na reversibilidade do emaranhamento

Em seu novo trabalho, publicado na Nature Communications , os autores resolvem essa conjectura de longa data usando transformações de emaranhamento “probabilísticas”, que só têm garantia de sucesso em algumas ocasiões, mas que, em troca, fornecem um poder maior na conversão de sistemas quânticos. Sob tais processos, os autores mostram que é de fato possível estabelecer uma estrutura reversível para manipulação de emaranhamento, identificando assim um cenário no qual uma “entropia de emaranhamento” única emerge e todas as transformações de emaranhamento são governadas por uma única quantidade. Os métodos que eles usaram poderiam ser aplicados de forma mais ampla, mostrando propriedades de reversibilidade semelhantes também para recursos quânticos mais gerais.

De acordo com Regula, “Nossas descobertas marcam um progresso significativo na compreensão das propriedades básicas do emaranhamento, revelando conexões fundamentais entre emaranhamento e termodinâmica e, crucialmente, fornecendo uma grande simplificação na compreensão dos processos de conversão de emaranhamento. Isso não só tem aplicações imediatas e diretas nas fundações da teoria quântica, mas também ajudará a entender as limitações finais em nossa capacidade de manipular o emaranhamento de forma eficiente na prática.”

Olhando para o futuro, ele continua, “Nosso trabalho serve como a primeira evidência de que a reversibilidade é um fenômeno alcançável na teoria do emaranhamento. No entanto, formas ainda mais fortes de reversibilidade foram conjecturadas, e há esperança de que o emaranhamento possa ser tornado reversível mesmo sob suposições mais fracas do que fizemos em nosso trabalho — notavelmente, sem ter que depender de transformações probabilísticas. A questão é que responder a essas perguntas parece significativamente mais difícil, exigindo a solução de problemas matemáticos e de teoria da informação que escaparam a todas as tentativas de resolvê-los até agora. Entender os requisitos precisos para que a reversibilidade se mantenha, portanto, continua sendo um problema fascinante em aberto.”

Referência: “Reversibilidade de recursos quânticos por meio de protocolos probabilísticos” por Bartosz Regula e Ludovico Lami, 17 de abril de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47243-2