Recentemente, a equipe de pesquisa de Feng Mang do Instituto de Inovação em Medição de Precisão e Tecnologia Científica da Academia Chinesa de Ciências, em colaboração com a Universidade de Zhengzhou e outras instituições, alcançou pela primeira vez a aceleração do emaranhamento quântico em um sistema não-hermitiano em uma plataforma experimental de íons aprisionados, superando com sucesso o limite de velocidade quântica hermitiana tradicional. O experimento aumentou a velocidade de preparação do estado emaranhado para 1,52 vezes a do esquema original, e os resultados foram publicados online no Physical Review Letters em 28 de maio.

O emaranhamento quântico é um recurso central na computação quântica, comunicação quântica e sensoriamento quântico. Para que chips quânticos de alto desempenho realizem cálculos complexos, é necessário estabelecer relações de emaranhamento entre qubits de forma rápida e estável; a comunicação quântica depende do emaranhamento para transmitir informações com segurança; e o sensoriamento quântico requer emaranhamento para melhorar a sensibilidade das medições. Por muito tempo, em sistemas quânticos hermitianos tradicionais, a velocidade de geração de emaranhamento foi limitada pela intensidade do acoplamento entre qubits. Quanto mais forte o acoplamento, mais rápida pode ser a preparação do emaranhamento, mas a potência do laser, o modo de movimento dos íons, a decoerência e a precisão do controle no sistema experimental impõem restrições práticas. Portanto, "se é possível acelerar a geração de emaranhamento sem aumentar a intensidade do acoplamento coerente" tem sido uma questão importante no campo do controle quântico.

O caminho apresentado por esta pesquisa utiliza a dissipação controlável e os efeitos de ponto excepcional em sistemas não-hermitianos. Normalmente, a dissipação é vista como um fator prejudicial que destrói a coerência quântica, pois pode causar vazamento de estados quânticos, decoerência ou reduzir a probabilidade de sucesso. A equipe de pesquisa não evitou simplesmente a dissipação, mas a regulou como um recurso projetável no experimento, fazendo com que os parâmetros do sistema se aproximassem do ponto excepcional do sistema não-hermitiano. Sob essa condição, a estrutura geométrica do espaço de Hilbert muda, o caminho de evolução do estado quântico é comprimido e o processo de geração de emaranhamento ganha um efeito semelhante a um "atalho".

A plataforma experimental utiliza dois íons de cálcio para formar um sistema de armadilha Paul linear, com qubits codificados nos níveis de energia fundamental e metaestável dos íons. A equipe de pesquisa usou um laser de 729 nm para conduzir transições coerentes de qubits e um laser de 854 nm para introduzir canais de dissipação ajustáveis, enquanto usava um campo laser bicolor para realizar interações efetivas entre os dois íons. Quando apenas a interação coerente está presente, a intensidade do acoplamento é J = 2π × 625 Hz, correspondendo a um tempo de porta de preparação do estado Bell de 200 microssegundos; sob condições fixas de intensidade de acoplamento coerente, o experimento ajustou gradualmente os parâmetros não-hermitianos, reduzindo o tempo de preparação do emaranhamento para 177, 155 e 132 microssegundos, com o esquema mais rápido sendo cerca de 1,52 vezes mais rápido que o esquema hermitiano tradicional.

O valor científico e tecnológico deste resultado reside em avançar a física não-hermitiana de um mecanismo teórico de aceleração para um experimento de informação quântica com íons aprisionados. O sistema de íons aprisionados possui alta coerência e controlabilidade, sendo uma plataforma importante para computação quântica e medição de precisão; o sistema não-hermitiano oferece uma nova dimensão de controle para a evolução de estados quânticos. A combinação de ambos permite que os pesquisadores explorem métodos mais rápidos de portas quânticas, preparação de emaranhamento e manipulação de estados sem simplesmente aumentar a intensidade do acoplamento coerente. Para a futura computação quântica, quanto mais rápida a porta quântica, maior a chance de o sistema completar mais operações antes que ocorra a decoerência, e a profundidade do circuito quântico e a confiabilidade computacional também podem ter espaço para melhoria.

O experimento também revelou o custo do mecanismo de aceleração. A aceleração não-hermitiana depende da dissipação controlável; quanto mais rápido o emaranhamento é gerado, maior a probabilidade de vazamento de população para fora do subespaço computacional, reduzindo correspondentemente a probabilidade de sucesso. Isso significa que essa técnica não melhora incondicionalmente a eficiência de todas as operações quânticas, mas busca um novo equilíbrio entre velocidade, fidelidade, probabilidade de sucesso e estabilidade do sistema. Pesquisas futuras precisarão otimizar ainda mais os parâmetros não-hermitianos, canais de dissipação, métodos de leitura e mecanismos de compensação de erros, para determinar se esse método de aceleração pode ser estendido para mais qubits, portas quânticas mais complexas e cenários de processadores quânticos programáveis.

Do ponto de vista da aplicação industrial e científica, a aceleração do emaranhamento quântico não se traduzirá imediatamente em computadores quânticos comerciais, mas fornece uma nova direção experimental para o controle quântico de alta qualidade. A computação quântica, a comunicação quântica e o sensoriamento quântico dependem de recursos de emaranhamento estáveis e controláveis, e qualquer tecnologia que possa encurtar o tempo de preparação e expandir os caminhos de manipulação pode fornecer suporte fundamental para a futura integração de sistemas quânticos. A realização da aceleração do emaranhamento em um sistema de íons aprisionados não-hermitiano pela equipe de pesquisa chinesa mostra que a dissipação controlável não é mais apenas um fator de interferência a ser suprimido, mas também pode se tornar uma ferramenta eficaz para projetar processos de evolução quântica mais rápidos. À medida que os mecanismos relevantes continuam a ser validados, o controle quântico não-hermitiano tem potencial para desempenhar um papel maior em portas quânticas de alta fidelidade, preparação de estados emaranhados complexos e medição quântica de precisão.