Teletransporte quântico, ficção ou realidade?

1. Introdução

Em alguns episódios da famosa série de TV Star Trek, o conceito de teletransporte foi utilizado e explorado para o desenvolvimento da narrativa. A tripulação da USS Enterprise, com personagens icônicos como Spock e Kirk, utilizava a sala de teletransporte da nave para se deslocar a outros lugares.

Legenda: McCoy, Kirk and Spock na sala de teletransporte.

No programa de TV, o teletransporte era realizado por meio de um processo chamado de “desmaterialização”, que convertia uma pessoa ou um objeto em um padrão de energia e o enviava para o novo local, onde este era novamente convertido em matéria, processo conhecido como “rematerialização”. Esse tipo de teletransporte, explorado na série, não é possível na realidade e suscita um paradoxo discutido na Grécia antiga: o famoso navio de Teseu. Resumidamente, esse paradoxo questiona se um objeto pode ser considerado o mesmo quando todos os seus componentes originais são substituídos ao longo do tempo. Essa reflexão se conecta ao teletransporte da série Star Trek, já que a pessoa ou objeto teletransportado seria reconstruído em uma nova localização.

Por mais interessante que seja a tecnologia apresentada na série, que nos permitiria evitar longos voos para viajar a outros países, infelizmente ela não passa de ficção científica. Entretanto, as propriedades peculiares da mecânica quântica nos permitem realizar o teletransporte de informação por meio de um protocolo de comunicação conhecido como teletransporte quântico.

Atualmente, diversos países têm investido em pesquisas em comunicação quântica, visando maior segurança em suas comunicações e outros objetivos. Parte dessas pesquisas envolve o uso do teletransporte quântico. Por exemplo: na China, está sendo desenvolvido um sistema de teletransporte quântico utilizando satélites; nos Estados Unidos, a Northwestern University demonstrou a viabilidade do teletransporte quântico em cabos de fibra ótica, atualmente responsáveis pelo tráfego de internet; Nos Países Baixos, a Delft University of Technology tem desenvolvido uma rede quântica que utiliza o teletransporte quântico; e, no Brasil, a Rede Rio Quântica é um projeto que busca criar a primeira rede de internet quântica do país, conectando a UFF, o CBPF, a UFRJ, a PUC-Rio e o IME.

O teletransporte quântico é um recurso essencial para a internet quântica, como destacado no artigo da Polytechnique insights. A Samuraí Brito, Head de Computação Quântica no ICTi, possui uma série de trabalhos importantes e relevantes sobre o tema. Na vertente técnica, destacam-se: “*Statistical Properties of the Quantum Internet” e “[Satellite-Based Photonic Quantum Networks Are Small-World](https://journals.aps.org/prxquantum/pdf/10.1103/PRXQuantum.2.010304)*”. O primeiro descreve as propriedades estatísticas da internet quântica, propondo um modelo baseado nas fibras óticas atuais. O segundo analisa redes baseadas em satélites e compara seu desempenho com as fibras óticas, evidenciando que nós fisicamente distantes podem estar próximos quando observados sob a perspectiva de redes. Já na divulgação científica, destacamos os artigos: “Internet quântica: A construção da rede do futuro já começou” e “Internet Quântica: Mito, fake ou ciência?”.

Respondendo à pergunta do título desse artigo: sim, o teletransporte é uma realidade, embora não nos moldes apresentados em Star Trek, mas por meio do emaranhamento quântico combinado com comunicação clássica. Com esse contexto inicial, a missão das próximas seções deste artigo é explicar como o teletransporte quântico funciona e demonstrar como realiza-lo utilizando Python em um computador quântico na IBM Quantum Platform.

2. Teletransporte quântico

A mecânica quântica apresenta propriedades exóticas, completamente contraintuitivas para a realidade da Física clássica que vivenciamos no cotidiano. Por exemplo, no dia a dia não vemos objetos em superposição, com certa probabilidade de estarem em uma configuração x ou y. Portanto, se você acha essas ideias confusas, saiba que não está só: o próprio Einstein demonstrava incômodo com a natureza probabilística da Física Quântica ao afirmar que “Deus não joga dados com o universo”. Até Richard Feynman comentou que “se você acha que entende de mecânica quântica, então não entende”, referindo-se ao fato de que a teoria envolve conceitos que desafiam nossa intuição baseada na Física Clássica. Sendo assim, “Don’t panic!” 🤓, nós vamos descomplicar esses conceitos.

· Emaranhamento quântico: A ação fantasmagórica a distância

Em 1935, Einstein, Podolsky e Rosen publicaram o artigo intitulado “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”, que posteriormente ficou conhecido como o paradoxo EPR. Nesse trabalho, os autores argumentaram que a mecânica quântica fornecia uma descrição incompleta da realidade, expressando o incômodo de Einstein com as previsões da teoria. A relação de Einstein com a Física quântica é curiosa: em vários momentos, ele entrou em conflito com as previsões da teoria, mas, ao mesmo tempo, seu estudo sobre o efeito fotoelétrico foi fundamental para o desenvolvimento incial da Física quântica.

No artigo, os autores argumentavam que os estados emaranhados pareciam sugerir a transmissão de informação a uma velocidade superior à da luz, o que violaria um dos princípios da relatividade restrita. Esse suposto “efeito colateral” do emaranhamento ficou conhecido como “ação fantasmagórica à distância”, indicando que, no momento em que uma das partes do estado emaranhado colapsa para um dos estados possíveis, a outra parte também colapsaria instantaneamente para o estado correspondente.

Os estados de Bell são um exemplo clássico de estados emaranhados. Por esse motivo, Einstein, Podolsky e Rosen consideravam que a mecânica quântica fornecia uma descrição incompleta da realidade, sugerindo a existência de variáveis ocultas que poderiam resolver esse aparente problema da teoria. Contudo, em 1964, o físico John Stewart Bell publicou um artigo “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox”, demonstrando que a interpretação baseada em variáveis ocultas era incompatível com as previsões da mecânica quântica. Esse resultado foi posteriormente confirmado por diversos experimentos. As implicações teóricas e filosóficas do trabalho de Bell são profundas e vão além do escopo deste artigo, mas para se ter uma ideia da importância desse debate para a Física, o Prêmio Nobel de Física de 2022 foi concedido a Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger por experimentos que demonstraram a violação da desigualdade de Bell, confirmando que a mecânica quântica permite a existência de estados emaranhados — recursos essenciais hoje para áreas como computação quântica e redes quânticas.

· Passo a passo do protocolo de teletransporte quântico

Para explicar como funciona o teletransporte quântico, vamos considerar dois personagens: a Alice e o Bob. Inicialmente, ambos possuem um qubit e decidem ir a um laboratório para permitir que seus qubits interajam e formem um estado emaranhado. Após ver um anúncio de uma viagem para outra galáxia, Alice se despede de Bob e leva seu qubit consigo. Chegando a nova galáxia, Alice “encontra” um novo qubit e deseja enviá-lo para que Bob possa estudá-lo no laboratório. Contudo, surge um dilema: se Alice medir o qubit, ela destruirá a informação quântica e perderá o estado que deseja enviar a Bob.

Diante desse cenário, Alice se lembrou das aulas do curso de informação quântica e de que compartilhava um estado emaranhado com Bob. Relendo suas notas, ela se deparou com o protocolo de teletransporte quântico e decidiu colocá-lo em prática. Com seu qubit emaranhado com o de Bob e o qubit que encontrou, Alice realizou uma medida de Bell nos dois qubits que estão em sua posse e anotou o resultado. Segundo os seus estudos, dependendo do resultado da medição, ela deveria informar Bob sobre as operações que ele precisará aplicar no qubit dele para recuperar o estado teletransportado. Ela seguiu o seguinte mapa: se medir 00, Bob não precisa fazer nenhuma operação; se medir 01, Bob deve aplicar uma porta X; se medir 10, a porta Z; e se medir 11, deve aplicar uma porta X seguida da porta Z.

É importante notar que, para completar o teletransporte quântico, Alice precisa transmitir dois bits para Bob por meio de um canal de comunicação clássico. Sem essa informação, os resultados de Bob seriam completamente aleatórios, e ele não teria recursos para reconstruir o estado teletransportado. Dessa forma, o teletransporte quântico não envolve envio de informações mais rápido que a velocidade da luz, ou seja, o princípio da relatividade restrita, que estabelece a velocidade da luz como velocidade limite no universo, não é quebrado. Além disso, o teorema da não clonagem também não é infringido, já que as operações realizadas nos qubits de Alice não criam uma cópia do estado original. Em resumo, tudo está coerente do ponto de vista da Física, e podemos resumir o teletransporte quântico no seguinte conjunto de passos:

o Passo 1: os qubits de Alice e Bob interagem para gerar um estado emaranhado (Hadamard + CNOT).

o Passo 2: Alice prepara o estado quântico que deseja teletransportar.

o Passo 3: Alice aplica uma medida de Bell em seus qubits (CNOT + Hadamard).

o Passo 4: Alice mede seus qubits e armazena o resultado em bits clássicos.

o Passo 5: Alice utiliza um canal de comunicação clássica para transmitir os bits para Bob, informando quais operações ele deve aplicar dado o resultado da medição. Com essas instruções (aplicando as portas X e Z condicionadas a resultados nos bits clássicos), Bob recupera o estado quântico que Alice queria teletransportar.

Os passos acima descritos podem ser implementados pelo seguinte circuito quântico:

Circuito quântico que implementa o teletransporte quântico que teletransporta o estado quântico definido pela aplicação da porta

(75% de probabilidade de medir o qubit no estado 0 e 25% de probabilidade de medir no estado 1).

Para auxiliar na visualização e no entendimento do teletransporte quântico, deixamos vários materiais nas referências e a plataforma Quantum Flytrap, onde há um experimento iterativo que implementa e explica o teletransporte quântico. Para os leitores que quiserem se aprofundar na Matemática e na Física, por trás do teletransporte quântico, também deixamos materiais nas referências.

Ilustração do teletransporte quântica na plataforma Quantum Flytrap.

No site da Quantum Network Explorer, há uma simulação mostrando como seria o teletransporte quântico entre duas cidades nos Países Baixos:

Ilustração de experimento na plataforma Quantum Network Explorer criada pela QuTech.

Em seu Medium, Samuraí Brito publicou um post que resume e explica, passo a passo, o protocolo de teletransporte quântico. Recomendamos também os vídeos abaixo, que tratam o tema de forma didática: **Como Teletransportar o Gato de Schrödinger e Quantum Teleportation Demystified with a Quantum Computer | Paradoxes Ep. 08.**

· Teletransporte quântico utilizando o Qiskit

Agora que entendemos um pouco sobre o emaranhamento e como ele pode ser usado para realizar o teletransporte quântico, vamos implementar o protocolo com Qiskit e executá-lo em uma QPU pela IBM Quantum Platform. Para isso:

1. Crie uma conta na plataforma (a criação da conta é gratuita e você também ganha 10 minutos, de acesso gratuito as QPUs, por mês).

2. Instale o Python em sua máquina, se ainda não o tiver.

3. Uma vez instalado, você deve criar um ambiente virtual python (python -m venv env) e instalar os seguintes pacotes: numpy, qiskit, qiskit-aer e qiskit-ibm-runtime (pip install numpy qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-rutime). Conforme as telas abaixo:

o Importando os pacotes:

o Inicializando a conexão com a IBM Quantum Platform, o simulador e conectando com a QPU escolhida:

o Criando o circuito mencionado na seção anterior:

o Simulando o circuito quântico e recuperando o resultado:

o Transpilando o circuito, executando o circuito quântico na QPU e recuperando o resultado:

o Comparativo do resultado simulado versus QPU:

3. Conclusão

É incrível perceber que estamos em uma era em que, com apenas algumas linhas de código e acesso a computadores quânticos via cloud, já podemos realizar experimentos de teletransporte quântico que antigamente só eram possíveis em laboratórios de universidades e centros de pesquisa com equipamentos complexos.

Além disso, vimos como conceitos até então teóricos da mecânica quântica começam a se materializar em tecnologias que, no futuro, tornarão nossas redes de comunicação mais seguras.

Esperamos que a leitura desse artigo tenha sido proveitosa e que tenha ajudado a entender o teletransporte quântico e a sua relevância para as redes de comunicação quântica.

Vida longa e próspera! 🖖

Referências

1. Livro Quantum Computation and Quantum Information — Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang

2. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels — Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Claude Crépeau, Richard Josza, Asher Peres and William K. Wootters

3. Quantum Milestones, 1993: Teleportation Is Not Science Fiction

4. Statistical Properties of the Quantum Internet

5. Satellite-Based Photonic Quantum Networks Are Small-World

6. Internet Quântica: Mito, fake ou ciência?

7. Internet quântica: A construção da rede do futuro já começou

8. O teletransporte é possível?

9. Entanglement in Action | Understanding Quantum Information & Computation | Lesson 04

10. Como o teletransporte quântico realmente funciona

11. Quantum Teleportation Demystified with a Quantum Computer | Paradoxes Ep. 08

12. Artigo Wikipedia Quantum Teleportation

13. QuEra Glossary Quantum Teleportation

14. Why Did Quantum Entanglement Win the Nobel Prize in Physics?

15. Como Teletransportar o Gato de Schrödinger

16. Quantum magazine — What is Quantum Teleportation?

17. Pennylane tutorial — Quantum Teleportation

18. Quantum Flytrap — Quantum Teleportation

19. Quantum Network Explorer

20. Quantum Teleportation Protocol using Qiskit — Medium Samuraí Brito

21. Computação Quântica e Teoria Quântica de Correção de Erros — José Victor Soares Scursulim

**José Victor **é analista de computação quântica no ICTi, mestre em Física, Qiskit Advocate e astrofotógrafo amador nas horas vagas.