Teletransport Quântico

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Divulgação Científica
Teletransporte quântico

23/1/2009

Agência FAPESP – Pela primeira vez, cientistas conseguiram teletransportar informação entre dois átomos isolados em compartimentos e distantes 1 metro um do outro. Trata-se de uma conquista importante na busca por um computador quântico.

O teletransporte de informação não deve ser confundido com o de pessoas, visto em filmes de ficção como a série Jornada nas Estrelas. Mas nem por isso deixa de ser algo inusitado, talvez a mais misteriosa forma de transporte possível na natureza.

No teletransporte quântico, a informação (como o spin de uma partícula ou a polarização de um fóton) é transferida de um local a outro sem que ocorra o deslocamento por um meio físico. Não há transferência de energia nem de matéria.

Estudos anteriores conseguiram realizar o teletransporte entre fótons por longas distâncias, entre fótons e grupos de átomos e entre dois átomos próximos por meio da ação de um intermediário. Mas nenhum desses casos ofereceu uma maneira viável de manter e controlar a informação quântica por longas distâncias.

Agora, o grupo do Joint Quantum Institute, das universidades de Maryland e Michigan, nos Estados Unidos, obteve sucesso no teletransporte de um estado quântico diretamente de um átomo para outro por uma distância expressiva para esse tipo de estudo.

Na edição desta sexta-feira (23/1) da revista Science, os pesquisadores descrevem um teletransporte com 90% de eficiência na recuperação da informação original.

“O sistema tem o potencial para formar a base de um ‘repetidor quântico’ em grande escala capaz de funcionar como uma rede para memórias quânticas em grandes distâncias. Os métodos que desenvolvemos poderão ser usados conjuntamente com operações de bit quânticos para criar um componente central necessário para a computação quântica”, afirmou Christopher Monroe, um dos autores do estudo.

Os cientistas estimam que o computador quântico será capaz de realizar tarefas complexas como cálculos relacionados a criptografia ou buscas em gigantescas bases de dados muito mais rapidamente do que as máquinas atuais.

A base de funcionamento do teletransporte quântico é um fenômeno conhecido como emaranhamento, que ocorre somente em escala atômica ou subatômica. Quando dois objetos são colocados em um estado emaranhado, suas propriedades se tormam inextricavelmente ligadas.

Embora essas propriedades sejam desconhecidas até que possam ser avaliadas, o simples ato de medir qualquer um dos objetos determina instantaneamente as características do outro, não importando a distância em que estejam separados.

Leis peculiares

No novo estudo, os pesquisadores emaranharam os estados quânticos de dois íons de itérbio (elemento químico da família dos lantanídeos) de modo que a informação contida na condição de um pudesse ser transferida para o outro.

Cada íon foi isolado em um invólucro no vácuo, suspenso em uma gaiola invisível formada por campos eletromagnéticos e envolta por eletrodos. Os cientistas identificaram dois estados discerníveis, de menor energia, dos íons, que serviriam como valores alternativos de um bit quântico (ou qubit).

Bits (dígitos binários) eletrônicos convencionais, como os de um computador pessoal, estão sempre em um de dois estados: ligado ou desligado, ou 0 ou 1. Os bits quânticos, entretanto, podem estar em alguma combinação (superposição) dos dois estados ao mesmo tempo – como uma moeda que ficasse simultaneamente tanto na cara como na coroa. E é justamente esse fenômeno inusitado que dá à computação quântica seu enorme potencial.

Cada íon foi inicializado em um estado básico. Em seguida, o primeiro (íon A) foi irradiado por uma emissão específica de micro-ondas de um dos eletrodos, ficando em uma superposição de estados, como se escrevesse em sua memória a informação a ser teletransportada.

Imediatamente, os dois íons foram excitados durante um trilionésimo de segundo por um laser. A duração do pulso foi tão pequena que cada íon emitiu apenas um único fóton à medida que recebeu a energia do laser e retornou a um dos estados quânticos iniciais.

Dependendo do estado, cada íon emitiu um fóton cuja cor (azul ou vermelha) estava perfeitamente relacionada com o estado quântico. É justamente esse emaranhamento entre cada bit quântico e seu fóton correspondente que permite que os átomos se entrelacem.

Os fótons emitidos foram capturados por lentes, encaminhados a fibras ópticas separadas e levados para lados opostos de um separador de saída da luz, no qual podiam passar diretamente ou ser refletidos. Nos lados do separador estavam posicionados detectores para registrar a chegada dos fótons.

Antes de alcançar o separador, cada fóton estava em uma superposição de estados. Depois, quatro combinações de cores se tornaram possível: azul-azul, vermelho-vermelho, azul-vermelho ou vermelho-azul. Na maior parte desses estados, cada fóton cancelou o outro de um lado do separador e ambos terminaram no mesmo detector do outro lado.

Mas houve uma combinação na qual os dois detectores registram o fóton exatamente no mesmo instante. Mas é fisicamente impossível determinar qual íon produz cada fóton, ou seja, qual foi a combinação, porque não dá para saber se o fóton que chega ao detector passou pelo separador de luz ou foi refletido por ele.

Graças às leis peculiares da mecânica quântica, essa incerteza inerente projeta os íons em um estado de emaranhamento. Ou seja, cada um deles fica em uma superposição dos dois possíveis estados. Como a detecção simultânea de fótons pelos detectores não ocorre com freqüencia, o estímulo do laser e o processo de emissão do fóton precisam ser repetidos milhares de vezes por segundo. Mas quando um fóton aparece em cada detector, é um sinal inconfundível do emaranhamento entre os íons.

Quando uma condição de emaranhamento foi identificada, os cientistas imediatamente mediram o íon A. O ato de medir fez com que ele saísse da superposição e assumisse uma condição definitiva, isto é, um dos dois estados do bit quântico. Mas como o estado do íon A estava irreversivelmente ligado ao do íon B, a medição do A também fez com que o B assumisse o estado complementar.

Dependendo de qual estado o íon A terminou, os cientistas conseguiram saber precisamente que tipo de pulso de micro-ondas devia ser aplicado ao íon B de modo que ele recuperasse a informação exata que foi armazenada originalmente no primeiro íon. Era o exato teletransporte da informação.

O que distingue esse resultado como teletransporte, e não como outra forma qualquer de comunicação, é que nenhuma informação contida na memória original realmente passou entre os íons. Em vez disso, a informação desapareceu quando o íon A foi medido e reapareceu quando o pulso de micro-ondas foi aplicado no íon B. “Um aspecto particularmente atraente de nosso método é que ele combina as vantagens únicas tanto dos fótons como dos átomos. Fótons são ideais para transferir informação por longas distâncias, enquanto que átomos oferecem um meio vantajoso para a memória quântica de longa duração”, disse Monroe.

“A combinação representa uma arquitetura promissora para um ‘repetidor quântico’ que permitirá com que informação quântica seja transferida em distâncias muito maiores do que seria possível apenas com fótons. Além disso, esse teletransporte de informação poderá constituir a base de uma internet quântica, capaz de superar em muito qualquer outro tipo de rede”, destacou.

O artigo Quantum teleportation between distant matter qubits, de Christopher Monroe e outros, pode ser lido por assinantes da Science em www.sciencemag.org.

Plumes of methane gas found on Mars - Los Angeles Times

The gas could be coming from rudimentary life-forms -- apparently nothing capable of piloting a spaceship to Earth.

By John Johnson Jr.
January 16, 2009

Scientists have discovered large plumes of methane gas in the Martian atmosphere, a key marker for biological processes on Earth but not convincing proof that rudimentary life-forms exist on Mars.

Scientists led by Michael Mumma of the Goddard Space Flight Center in Maryland first detected the gas in 2003, using infrared spectrometers on three Earth-based telescopes, the team said Thursday. At its peak, the plumes contained about 19,000 metric tons of methane, a large amount comparable to the seep off Coal Oil Point near Santa Barbara.

The source of the methane is still a mystery, the scientists said in a briefing at NASA headquarters in Washington. But its existence proves that Mars is not the dead desert planet that many scientists thought it was.

"Mars is active," said Michael Meyer of NASA's Mars program. "Whether it's geology or biology, we don't yet know."

On Earth, the natural gas that heats our homes is mostly methane. About 90% of the methane released into our atmosphere is produced by biological processes, the largest contributors being bacteria in wetlands and the burping of cattle. The methane is released as a waste product by microbes reacting to hydrogen.

But methane is not a surefire indicator of life. Geological processes such as the interaction of water and molten rock in volcanoes can produce methane. On Titan, Saturn's largest moon, liquid methane is so plentiful it flows in rivers. Titan is so cold that it is extremely unlikely that living organisms are producing the methane.

Although they cautioned that more work is needed, the scientists said the absence of other gases that would be expected if volcanic activity was producing the methane is one indicator that organisms could be at work.

"This is exciting to think about in terms of life on Mars," said Lisa Pratt, a geologist at the University of Indiana. "Given the lack of compelling evidence of heating and faulting, it's prudent for us to begin to explore Mars looking for life-forms that are exhaling methane."

Getting to the source may be difficult. Pratt said that if the gas is biologically produced, the source must be underground, perhaps several miles deep, away from surface oxidants that would destroy the methane.

According to Pratt, the Martians that humans have imagined for centuries may wind up being nothing more than a thin film of bacteria clinging to life in some underground caverns where there is just enough heat from the planet's core to melt the surrounding ice.

Along with the ground-based telescopes, Europe's Mars Express spacecraft tracked three methane plumes, beginning in 2003. Over the next few years, Mumma said, they were able to pinpoint several possible emission sources in both the northern and southern hemispheres. Plumes were located near the Martian regions known as Arabia Terra, Nili Fossae and Syrtis Major.

Since the production of methane requires water, scientists said there must be some source in those areas.

Ancient Mars is known to have been a wet place, with rivers and shallow seas. But most scientists believe the surface has been dry and inhospitable to life as we know it for billions of years.

Between 2003 and 2006, the size of the methane plumes decreased, raising the possibility that the release in 2003 was a one-time event that persisted through 2006.

One theory is that a comet deposited the methane when it collided with Mars. That's considered unlikely because the amount of methane measured on Mars would require a comet several miles across, an event that astronomers probably would have noticed.

Similarly, the winds on Mars, which can produce planetwide dust storms, would have dispersed the methane over the entire planet between 2003 and 2006 if the gas release was a single explosive event.

Scientists think the methane could be released on a seasonal basis from certain discrete locations on the planet, presumably where cracks in the surface allow venting from the planet's interior.

If the source of the methane is biological, it might be analogous to permafrost on Earth, the scientists say. Each summer microorganisms frozen in the arctic tundra thaw just enough to release significant amounts of methane.

The same process could be responsible for methane releases on Mars. But the amount released would be a thousand times less than the quantity released on Earth each summer, the scientists said.

If the methane is being produced by living organisms, there should be evidence of other complex organic molecules in the atmosphere, Pratt said.

Mumma said research was continuing, using the adaptive optics technology at the European Southern Observatory, to get a better fix on Mars' chemistry.

john.johnson@latimes.com