Teletransporte quântico inspirado em buracos negros pode funcionar sem magia quântica

Para lá do horizonte de acontecimentos de um buraco negro, a informação tal como a conhecemos enfrenta um destino misterioso.

Num dos ambientes mais extremos do Universo, pensa-se que a informação quântica fica misturada quase ao ponto de se tornar irreconhecível, dispersa numa intrincada teia de interações quânticas.

Mas, se dois destes monstros estiverem ligados por um buraco de minhoca, como que por um cordão umbilical, torna-se possível algo extraordinário: nas condições certas, a informação engolida por um buraco negro poderá sair pelo outro.

Esta ideia continua inteiramente no domínio da teoria. Ainda assim, inspirou uma abordagem ao teletransporte quântico que, segundo uma descoberta recente, pode funcionar muito bem sem recorrer a um dos recursos mais poderosos da computação quântica.

Esse recurso é a magia quântica. Ao demonstrar que um protocolo de teletransporte inspirado em buracos negros pode alcançar uma elevada fidelidade sem ela, os físicos Sudhanva Joshi e Sunil Kumar Mishra, do Instituto Indiano de Tecnologia da Universidade Hindu de Banaras, abriram uma nova perspetiva sobre este fenómeno muito peculiar, mas bem real.

Como funciona o teletransporte quântico

O teletransporte quântico não funciona propriamente como o da ficção científica. Não há matéria física a ser deslocada, nem o processo é instantâneo. Em vez disso, o estado quântico de uma partícula é transferido para outra através de uma ligação chamada entrelaçamento quântico e também de comunicação clássica.

O entrelaçamento é uma das consequências mais estranhas da mecânica quântica: as propriedades de dois objetos ficam tão profundamente correlacionadas que deixam de poder ser descritas por completo de forma independente. A física clássica não consegue explicar essa ligação.

O processo não permite que a informação viaje mais depressa do que a luz e destrói o estado quântico original. Ainda assim, o resultado parece quase mágico: um estado quântico pode ser reconstruído a grandes distâncias sem que ninguém tenha de se deslocar.

Na mecânica quântica, porém, «magia» tem outro significado, mais preciso. Na computação quântica, é uma propriedade que permite a certas operações quânticas ultrapassar aquilo que um computador comum consegue simular de forma eficiente.

Pode pensar-se nela como no transporte de mercadorias. Tanto um camião como um avião podem levar carga entre duas cidades e, em algumas viagens, qualquer um serve. Mas um avião tem capacidades que um camião não consegue reproduzir eficientemente, como atravessar um oceano em poucas horas.

A magia quântica assemelha-se a essa capacidade adicional. Permite que os computadores quânticos façam certos cálculos que os computadores comuns não conseguem reproduzir de forma eficiente, embora nem todas as tarefas quânticas precisem dela.

Buracos negros e mistura de informação quântica

É aqui que voltamos aos buracos negros. Pensa-se que estes objetos ultradensos são os mais rápidos do Universo a misturar informação quântica. Aquilo que cai no seu interior fica tão inextricavelmente misturado com tudo o resto que recuperar a informação original seria extraordinariamente difícil, mesmo deixando de lado o pequeno problema do horizonte de acontecimentos.

Segundo a mecânica quântica, no entanto, o Universo não pode simplesmente destruir informação quântica. Essa é uma das regras. E, pelo menos em teoria, se dois buracos negros estiverem ligados da forma adequada, a informação misturada por um pode ser recuperada pelo outro.

Inspirados nesta teoria, os físicos desenvolveram protocolos de teletransporte quântico que imitam o processo de mistura com circuitos quânticos, em vez de usarem verdadeiros buracos negros - embora seja curioso imaginá-lo.

Isto coloca uma questão intrigante: de quanto poder de computação quântica precisa realmente essa mistura? Foi precisamente isso que Joshi e Mishra procuraram investigar.

Para encontrar uma resposta, os investigadores analisaram matematicamente duas formas diferentes de misturar informação quântica num protocolo de teletransporte inspirado em buracos negros.

Uma delas recorria a uma classe de operações quânticas conhecida como circuitos de Clifford. Estes podem gerar entrelaçamento e manipular informação quântica, mas não exigem magia quântica, e o seu comportamento pode ser simulado eficientemente por um computador comum.

A outra usava operações quânticas mais gerais, escolhidas aleatoriamente, conhecidas como misturadores aleatórios de Haar, que normalmente possuem uma quantidade considerável de magia quântica.

Os investigadores fizeram os cálculos para ambas as abordagens e compararam a fidelidade com que cada uma conseguia teletransportar informação quântica - ou seja, até que ponto o estado quântico recuperado correspondia à informação original.

Fidelidade do teletransporte e magia quântica

Os resultados trouxeram uma grande surpresa: em média, ambas as abordagens alcançaram exatamente a mesma fidelidade de teletransporte, apesar de uma usar magia quântica e a outra não.

Mas a média conta apenas parte da história de um conjunto de dados. Imagine-se que há dois conjuntos de cinco números, ambos com uma média de 10. Num deles, cada um dos cinco números é exatamente 10. No outro, os números são -1.000, 0,5, 4, 45,5 e 1.000; somados e divididos por cinco, também dão 10.

Algo semelhante aconteceu com os dois protocolos de teletransporte. Embora as médias fossem iguais, a abordagem de Haar foi muito mais consistente do que a de Clifford.

Numa comparação numérica com oito bits quânticos, ou qubits, a variância da fidelidade de teletransporte na abordagem de Clifford foi cerca de 40.000 vezes maior: os resultados estavam muito mais dispersos em torno do desempenho médio.

Isto sugere que, embora a magia quântica não seja necessária para obter uma excelente fidelidade média de teletransporte neste modelo, a escolha das operações de mistura pode fazer uma diferença bastante significativa na consistência com que essa fidelidade é atingida.

Houve ainda outro resultado interessante. Os investigadores verificaram que, à medida que os sistemas quânticos modelados aumentavam, a abordagem de Clifford tinha cada vez mais êxito e a sua fidelidade de teletransporte se aproximava da perfeição, apesar de as operações de mistura não gerarem qualquer magia quântica.

Os seus resultados também se tornaram mais consistentes com o aumento dos sistemas, embora a abordagem de Haar continuasse a ser substancialmente mais fiável.

Os investigadores descobriram igualmente que acrescentar magia quântica não bastava, por si só, para melhorar os resultados do teletransporte. A forma como a informação misturada era descodificada era crucial: o processo de descodificação tinha de corresponder à forma como a informação tinha sido inicialmente misturada.

Isto não significa que os físicos tenham descoberto como teletransportar informação através de verdadeiros buracos negros. O estudo é teórico e assenta em modelos matemáticos de sistemas quânticos em condições idealizadas. Trata-se do tipo de trabalho fundamental que poderá orientar futuras tentativas de reproduzir e testar os protocolos em equipamentos quânticos reais.

Resta saber se as conclusões se mantêm em cenários mais realistas. Ainda assim, os resultados sugerem que a capacidade de misturar e recuperar informação quântica não depende necessariamente da sofisticação computacional do processo de mistura.

Isso poderá ajudar os físicos a compreender melhor não só o comportamento surpreendente da informação quântica, mas também uma pequena - muito pequena - parte daquilo que poderá ser necessário para recuperar informação de alguns dos objetos mais misteriosos do Universo.

O estudo, que ainda não foi sujeito a revisão por pares, está disponível no servidor de pré-publicações arXiv.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detetar algum erro, por favor informe-nos.