Resumo O teletransporte quântico é a transferência de uma informação desconhecida entre dois pontos distantes do espaço, explorando recursos clássicos e quânticos. Bem conhecido dos admiradores da série Star Trek, quando se fala em teletransporte, a maioria das pessoas pensa em uma tecnologia capaz de desmaterializar um corpo em um lugar do espaço e reconstruí-lo instantaneamente em outro ponto distante. O conceito atual de teletransporte quântico difere bastante desse imaginário popular: não é a matéria que é transportada, mas a informação. O objetivo deste artigo é expor, de forma clara e sem pressupor conhecimento prévio de formalismo matemático ou de conceitos físicos avançados, como se realiza o teletransporte utilizando propriedades peculiares da mecânica quântica, que serão introduzidas ao longo do texto. Também abordamos aplicações tecnológicas do teletransporte quântico, como na comunicação e na internet quântica.
Resumo O teletransporte quântico é a transferência de uma informação desconhecida entre dois pontos distantes do espaço, explorando recursos clássicos e quânticos. Bem conhecido dos admiradores da série Star Trek, quando se fala em teletransporte, a maioria das pessoas pensa em uma tecnologia capaz de desmaterializar um corpo em um lugar do espaço e reconstruí-lo instantaneamente em outro ponto distante. O conceito atual de teletransporte quântico difere bastante desse imaginário popular: não é a matéria que é transportada, mas a informação. O objetivo deste artigo é expor, de forma clara e sem pressupor conhecimento prévio de formalismo matemático ou de conceitos físicos avançados, como se realiza o teletransporte utilizando propriedades peculiares da mecânica quântica, que serão introduzidas ao longo do texto. Também abordamos aplicações tecnológicas do teletransporte quântico, como na comunicação e na internet quântica.
A idéia de desenvolver computadores cuja dinâmica obedeça às leis da Mecânica Quântica data do Ultimo quarto do seculo XX e assume, nos dias de hoje, importancia tecnológica e cientifica notável, uma vez que o uso de algoritmos quânticos se disseminou na implementação de sistemas de criptografia e, além disso, relatos de experimentos de comunicação sobre canais quânticos são cada vez mais presentes na literatura. Há, até, conjecturas sobre comportamentos quânticos em sinapses e em outros fenômenos naturais tidos como macroscópicos. Todos esses desenvolvimentos têm como base a teoria quântica da informação que, de maneira geral, pode ser considerada como uma extensão da teoria clássica devida a Shannon, considerando-se dois aspectos peculiares dos fenômenos quânticos: a incapacidade de se obter uma copia de um estado quântico e o fato de estados quânticos apresentarem uma dependencia mutua, originada na sua preparação. É desses dois tópicos que este trabalho se ocupa: sem a menor pretensão de originalidade, procura conceituar entrelaçamento (entanglement) e demonstrar o teorema da impossibilidade de copia (non-cloning theorem). Algumas aplicações são apresentadas entremeadas com relatos de ficção, cuja eventual semelhança com fatos reais sera mera coincidência.
Efeitos notáveis são obtidos na transmissão e no processamento de informação quando se utilizam canais quânticos. Exemplos desses efeitos são algoritmos quânticos ultrarrápidos, teletransporte quântico criptografia quântica, codificação superdensa e correção quântica de erros. Embora a teoria da informação quântica comumente lide apenas com sistemas não-relativísticos, um tratamento relativístico é de grande interesse não apenas para a completeza lógica da teoria, como também para o desenvolvimento de novas limitações e efeitos físicos que surgem quando há movimento relativo entre as partes que trocam informação. Além disso, um entendimento mais profundo da extensão relativística da teoria da informação quântica pode ajudar a esclarecer problemas conceituais importantes, como o paradoxo da perda de informação em buracos negros. Do ponto de vista prático, foi proposto, recentemente, um experimento para o qual essa formulação estendida pode ser significativa. Ele consiste na transmissão de fótons emaranhados pelo espaço livre, entre estações terrestres e satélites em órbita, com o bjetivo de testar a mecânica quântica para grandes distâncias e, sobretudo, dar or primeiros passos rumo à implementação de protocolos de informação quântica em escala global. Nesta tese , apresentamos alguns dos resultados seminais da incipiente teoria relativística da informação quântica e acrescentamos duas contribuições originais: estudamos como a relatividade afeta as correlações entre as polarizações de um par de fótons emaranhados, analisando, para isso, as desigualdades de Bell quando um detector move-se em relação ao outro (como será o caso nos experimentos envolvendo satélites em órbita), e analisamos o limite de Holevo para investigar sistemas de comunicação quando há movimento relativo entre o emissor e o receptor de uma mensagem clássica enviada por um canal quântico
Resumo Neste trabalho apresentamos o protocolo de teletransporte quântico a partir dos postulados mais básicos da mecânica quântica, enfatizando em cada etapa do protocolo qual postulado estamos utilizando em sua construção e execução. Mostramos também todos os passos matemáticos necessários para entender e modelar sua primeira realização experimental. Em seguida, reformulamos este protocolo na linguagem das matrizes densidade, preparando terreno para apresentar o primeiro protocolo de tomografia de estados quânticos cujo ingrediente principal para sua execução é o protocolo de teletransporte quântico. Ao longo de nossa exposição, ilustramos por meio de várias fotos, diagramas e imagens geradas por inteligência artificial todas as etapas e equipamentos utilizados na execução do protocolo de teletransporte. Além disso, preparamos duas animações que ilustram uma execução completa do teletransporte quântico. Por fim, vale a pena dizer que quase nenhum conhecimento prévio de mecânica quântica é exigido do estudante que deseja entender os assuntos discutidos neste trabalho.
A transmissão de informação quântica de uma localidade a outra não é um problema trivial. O teletransporte é uma promessa de solução, um sistema que usa dois canais de comunicação: um clássico --- um sistema usual de transmissão ---, e um quântico - construído pela geração de emaranhamento entre os estados dos usuários envolvidos. As primeiras realizações deste procedimento davam o resultado correto apenas em uma fração das vezes, problema resolvido no ano seguinte no primeiro protocolo de teletransporte incondicional. Desde então, diferentes esquemas experimentais foram sendo implementados e melhores resultados obtidos. O presente trabalho codifica informação nos modos de frequência da luz, com emaranhamento sendo gerado por um Oscilador Paramétrico Ótico acima do limiar. Aqui é desenvolvida a teoria para caracterização de estados em modos de frequência mais gerais, apresentada com os resultados obtidos. Para as perdas existentes no sistema, não é esperado uma fidelidade na comparação entre o estado de saída com o de entrada maior do que 42% sem o uso de recursos quânticos. O melhor resultado obtido com o uso de feixes emaranhados foi de 40%, perto do limiar da necessidade de recursos quânticos mas sem ultrapassá-lo.
Propomos um esquema inovador para o teletransporte em variáveis contínuas usando um OPO, oscilador paramétrico ótico, como fonte de estados emaranhados e desenvolvemos a instrumentação necessária para implementá-lo. O OPO é utilizado em um regime de operação onde dois feixes de comprimentos de onda distintos são produzidos, o que permitirá que o estado de uma dada cor seja aniquilado e que sua recriação seja em uma cor diferente. A realização dessa proposta permite teletransportar estados quânticos da luz entre cores distintas do espectro eletromagnético. Devido a sintonizabilidade do OPO, será possível a comunicação quântica entre diferentes tipos de sistemas que servirão como elementos de processamento na manipulação da informação quântica. A fidelidade deste processo é tanto maior quanto maior for o emaranhamento do par empregado, dessa forma, o maior desafio para a realização do teletransporte é justamente a construção de um canal quântico com o maior nível de emaranhamento possível experimentalmente. Várias tentativas de construção do canal quântico foram feitas, porém nenhuma delas apresentou-se, até o momento, adequada para a realização com sucesso do protocolo. Em uma das tentativas, um OPO duplamente ressonante, alcançou-se uma compressão de ruído de intensidade, nunca antes medida na história do nosso laboratório, porém o excesso de ruído de fase medido, originado do laser, degradou o emaranhamento, impossibilitando o prosseguimento da montagem. Atualmente, estamos investindo em um OPO triplamente ressonante como provável canal quântico do nosso protocolo. Medidas preliminares de emaranhamento desse novo OPO foram realizadas, entretanto ainda não se mostrou suficiente para o teletransporte.
Em 1993, Bennett et al. [1] postularam o processo de teletransporte de um estado quântico através do uso de dois canais de comunicação, um canal clássico e outro formado por um par de sistemas emaranhados. Na área de óptica quântica, várias realizações experimentais deste teletransporte foram relatadas [2, 3, 4], tanto no domínio de variáveis contínuas como discretas. Recentemente, foi medido emaranhamento no domínio de variáveis contínuas entre feixes de luz intensos de cores distintas [5, 6, 7]. Utilizando feixes com estas características como canal de comunicação quântico, apresentamos uma proposta para o primeiro teletransporte de informação quântica com troca de informação no domínio de variáveis contínuas entre campos de cores distintas. Resultados experimentais em direção à realização da proposta foram alcançados. Os moduladores eletro-ópticos, necessários na construção e reconstrução dos estados quânticos da luz, foram caracterizados. Quatro cavidades ópticas foram construídas, com requerido pelo protocolo para feixes de luz de cores distintas. Um oscilador paramétrico óptico (OPO) foi construído para a gerar os feixes correlacionados. No entanto, ele apresentou resultados insatisfatórios, atribuídos a um defeito no cristal não linear. Por isso, um OPO com novo cristal e novos espelhos foi projetado e se encontra em fase de construção. Por fim, um tratamento teórico adequado às particularidades da proposta experimental é apresentado.