Os pesquisadores do Structured Light Laboratory, vinculado à Escola de Física da Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, sob a liderança do professor Andrew Forbes, realizaram uma notável demonstração de perturbação de pares de partículas quânticas emaranhadas que estão espacialmente separadas, mas interconectadas, sem afetar suas propriedades compartilhadas.

Esta conquista foi realizada em colaboração com o teórico de cordas Robert de Mello Koch, da Universidade de Huzhou, na China, anteriormente associado à Universidade de Witwatersrand.

“Alcançamos esse marco experimental ao emaranhar dois fótons idênticos e personalizar sua função de onda compartilhada de tal forma que sua topologia ou estrutura se torna aparente somente quando os fótons são tratados como uma entidade unificada”, explica o autor principal, Pedro Ornelas, um estudante de mestrado no laboratório de luz estruturada.

A vinculação entre os fótons foi estabelecida através do fenômeno do entrelaçamento quântico, frequentemente denominado como “ação assustadora à distância”. Esse fenômeno possibilita que as partículas influenciem os resultados das medições umas das outras, mesmo quando encontram-se separadas por distâncias consideráveis.

A função da topologia e sua habilidade de manter propriedades, abordada neste estudo, pode ser analogamente comparada à capacidade de remodelar uma caneca de café para assumir a forma de uma rosquinha.

Mesmo diante das alterações na aparência e na configuração durante esse processo de transformação, um singular buraco – uma característica topológica distintiva – mantém-se constante e inalterado. Assim, os dois objetos revelam-se topologicamente equivalentes.

“O emaranhamento entre nossos fótons é maleável, como a argila nas mãos de um oleiro, mas durante o processo de moldagem, algumas características são mantidas”, explica Forbes

A topologia Skyrmion, objeto de estudo nesta pesquisa, foi inicialmente explorada por Tony Skyrme na década de 1980 como configurações de campo que apresentavam características análogas às de partículas.

Nesse contexto, a topologia refere-se a uma propriedade global dos campos, assemelhando-se a um pedaço de tecido (representando a função de onda), cuja textura (a topologia) permanece constante, independentemente da direção em que é deslocado.

Desde então, esses conceitos foram aplicados em materiais magnéticos modernos, cristais líquidos e até mesmo como análogos ópticos usando feixes de laser clássicos.

No âmbito da física da matéria condensada, os skyrmions são altamente valorizados pela sua estabilidade e resistência a ruídos, o que tem contribuído significativamente para avanços revolucionários em dispositivos de armazenamento de dados de alta densidade.

“Esperamos ver um impacto transformador semelhante com nossos skyrmions emaranhados quânticos”, diz Forbes.

Estudos anteriores descreveram esses Skyrmions como localizados em uma única posição. “Nosso trabalho apresenta uma mudança de paradigma: a topologia que tradicionalmente se pensava existir em uma configuração única e local agora é não-local ou compartilhada entre entidades espacialmente separadas”, diz Ornelas.

Ampliando essa ideia, os pesquisadores empregam a topologia como uma estrutura para classificar ou diferenciar estados emaranhados. Eles preveem que “essa nova perspectiva pode servir como um sistema de rotulagem para estados emaranhados, semelhante a um alfabeto”, diz o Dr. Isaac Nape, co-investigador.

“Da mesma forma que as esferas, rosquinhas e algemas são diferenciadas pelo número de orifícios que contêm, nossos skyrmions quânticos podem ser diferenciados por seus aspectos topológicos da mesma maneira”, diz Nape.

• Veja também: Teletransporte de forma segura usando apenas luz

A equipe almeja que isso se transforme em uma ferramenta de grande eficácia, abrindo caminho para novos protocolos de comunicação quântica que empregam a topologia como um conjunto fundamental para o processamento de informações quânticas em canais fundamentados no emaranhamento.

As descobertas mencionadas no artigo assumem um papel crucial, uma vez que os pesquisadores têm enfrentado desafios por décadas na busca por técnicas que preservem estados emaranhados.

A persistência da topologia, mesmo quando o emaranhamento decai, sugere um potencial mecanismo de codificação inovador, utilizando o emaranhamento mesmo em cenários de emaranhamento mínimo, nos quais os protocolos de codificação convencionais mostram-se insuficientes.

“Concentraremos nossos esforços de pesquisa na definição desses novos protocolos e na expansão do panorama dos estados quânticos topológicos não locais”, diz Forbes.

A pesquisa foi publicada na Nature Photonics.