Atualizado 5 de maio de 2026
Cientistas da Austria e da China quebraram a barreira binária e construíram uma porta lógica quântica inédita com 4 estados orbitais, ou mais, com pares de fótons emaranhados, inaugurando a era da computação quântica com luz multidimensional. A era dos “Qudits”.
A pesquisa foi publicada na Revista Nature Photonics.
Seremos capazes de escalar portas lógicas multidimensionais baseadas em Momento Angular Orbital (OAM) sem perder a coerência quântica, ou o Qudit será uma joia de laboratório difícil demais para o mundo real?
A seguir conheceremos como a cooperação entre físicos teóricos austríacos e físicos aplicados chineses abriu definitivamente a era da computação quântica fotônica orbital, multidimensional. E o salto que os “Qudits” representam em relação aos “Qubits”. Em texto, imagens e vídeos.
Vídeo 1: As 37 dimensões do qudit reescrevem a física quântica
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Computação quântica fotônica supera barreira do Qubit binário: Era do “Qudit” com porta Lógica de 4 Estados, e muito mais além
O futuro da computação quântica não é apenas mais rápido, é mais denso, e com mais criatividade que a computação tradicional jamais alcançaria.
Em um salto histórico nessa direção, enquanto o mundo se esforça para estabilizar qubits binários na, a colaboração sino-austríaca saltou para o mundo da ‘Ortofônica Quântica’, utilizando o Momento Angular Orbital (OAM) da fóton, luz, para codificar quatro estados em um único par de fótons.
Além disso, com possibilidade teórica sem limites para posições orbitais angulares. O limite estará na álgebra e na lógica para processar, e também no controle físico.
Está inaugurado assim a era do Universo dos “Qudit” multidimensionais.
A transição do Qubit (binário) para o Qudit (multidimensional) é como sair de um interruptor de luz comum para um dimmer sofisticado com múltiplas intensidades e cores.
Não estamos falando apenas de “mais bits”, lógica binária, mas de uma expansão da capacidade de processamento por partícula usando os estados orbitais angulares de pares de fotóns emaranhados.
Enquanto o “Qubit” processa 2 estados (0 e 1), o “Qudit” com 4 estados aumenta exponencialmente a densidade de informação e a resiliência contra ruídos quânticos. Além disso, o Qudit poderia assumir infinitas posições orbitais, ou multidimensionais.
Conforme os autores, a codificação de alta dimensionalidade da informação quântica tem o potencial de aumentar significativamente o poder computacional dos dispositivos existentes, ampliando o espaço de estados acessível para um tamanho de registro fixo e reduzindo o número de portas de emaranhamento necessárias.
Contudo, até aqui, antes dessa conquista inédita, a computação quântica baseada em qudits permanecia menos desenvolvida do que as abordagens convencionais baseadas em qubits, em especial para fótons, a computação quântica com luz, a maior promessa da computação.
O maior obstáculo para a realização de portas quânticas entre dois fótons individuais era a restrição da interação direta entre fótons em meios lineares.
Componentes lógicos essenciais para operações quânticas, como portas de emaranhamento qudit-qudit nativas, ainda estavam ausentes para o processamento óptico de informação quântica.
E veio a luz com essa nova porta lógica orbital multidimensional, operacional em teoria e na prática.
Por isso, a nova nova abordagem para Qudit, teórico e experimental, representa um avanço importante para o processamento de informação quântica óptica de alta dimensão e tem potencial para aplicações mais amplas além de sistemas ópticos.
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Vídeo 1: As 37 dimensões do qudit reescrevem a física quântica
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Muito além da polarização binária: Usaram a forma de onda espacial dos fótons, que podem estar em infinitos estados diferentes, correspondentes a diferentes momentos angulares orbitais (OAM)
A ideia básica dos computadores quânticos é simples: enquanto um computador clássico trabalha apenas com os valores “0” e “1”, a física quântica permite combinações arbitrárias desses estados.
Em certo sentido, um bit quântico (“qubit”) pode estar nos estados 0 e 1 simultaneamente. Isso possibilita o desenvolvimento de algoritmos capazes de resolver alguns problemas muito mais rapidamente do que um computador clássico equivalente.
No entanto, tais superposições podem, em princípio, envolver mais de dois estados. Dependendo do grau de liberdade considerado, um sistema quântico como um fóton pode ter não apenas duas configurações diferentes — dois resultados diferentes de uma possível medição, mas muitas. Nesse caso, o sistema é chamado de “qudit” em vez de “qubit”.
Para computação quântica, isso pode trazer vantagens significativas, mas, em última análise, é necessário um mecanismo pelo qual dois desses qudits possam interagir de forma controlada.
Para superar essa barreira estrutural a cooperação foi a chave.
Uma equipe de pesquisa da TU Wien conseguiu projetar teoricamente um esquema para processar conjuntamente dois qudits codificados em dois fótons, e uma equipe na China implementou com sucesso esse esquema em seu laboratório, resultando em um novo tipo de porta quântica, com aplicações potencialmente revolucionárias.
Está criado um um protocolo para realizar uma porta de emaranhamento, porta de inversão de fase controlada, para dois qudits fotônicos em uma dimensão arbitrária.
Até agora, os experimentos de computação quântica com fótons têm sido frequentemente realizados com base na polarização dos fótons, uma propriedade com dois resultados de medição possíveis.
Do ponto de vista da física quântica, o fóton pode estar em uma superposição dessas duas opções, como se estivesse se movendo simultaneamente para o Norte e para o Leste ao caminhar para o Nordeste.
“Utilizamos os fótons de uma forma fundamentalmente diferente”, explica Nicolai Friis, do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien.
“Não estamos interessados na polarização, mas na forma de onda espacial dos fótons, que podem estar em infinitos estados diferentes, correspondentes a diferentes momentos angulares orbitais.”
A equipe liderada por Nicolai Friis desenvolveu um procedimento que funciona com dois fótons desse tipo: ambos podem estar em superposições arbitrárias de diferentes formas de onda.
Através de manipulação sofisticada, dois fótons inicialmente independentes podem ser colocados em um estado conjunto — um chamado estado “emaranhado”.
Da mesma forma, o novo portão quântico também pode ser usado para separar dois fótons emaranhados de forma controlada, tornando seus estados independentes novamente.
Exatamente esse tipo de operação, um portão quântico de emaranhamento, é necessário para construir computadores quânticos, para realizar cálculos com múltiplas entradas.
Para um primeiro experimento, os pesquisadores decidiram trabalhar com quatro estados diferentes.
“É como se, além das direções Norte-Sul e Leste-Oeste, tivéssemos acesso a dois eixos adicionais”, diz Friis. “De certa forma, estamos nos movendo em um espaço quadridimensional, e podemos trabalhar com combinações arbitrárias desses estados.”
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Os qudits fotônicos usam uma nova tecnologia de travamento de fase de precisão, como divisor de feixe de momento angular orbital de alta dimensão para aumentar a estabilidade do portão de inversão de fase controlado
A concretização de suas ideias teóricas não exigiu apenas um novo protocolo, mas também tornou necessário aprimorar significativamente o estado da arte em tecnologia e precisão experimental, uma área na qual a equipe de Hui-Tian Wang, na China, obteve progressos notáveis.
Assim, além do trabalho teórico, os autores demonstraram experimentalmente esse protocolo realizando uma porta de inversão de fase controlada qudit-qudit quadridimensional, cuja decomposição exigiria pelo menos 13 portas de emaranhamento de dois qubits.
De forma que, relatam os autores, os qudits fotônicos obtidos são codificados em momento angular orbital (OAM), sob uma nova tecnologia ativa de travamento de fase de alta precisão para construir um divisor de feixe de momento angular orbital de alta dimensão que aumenta a estabilidade do portão de inversão de fase controlado, resultando em uma fidelidade de processo dentro da faixa de [0,71 ± 0,01, 0,85 ± 0,01].
“Conseguimos criar uma porta lógica quântica que funciona com dois fótons que podem ser preparados em combinações de quatro estados diferentes”, diz Nicolai Friis.
“Podemos emaranhar os fótons. e podemos fazer isso de forma sinalizada, ou seja, podemos saber quando o protocolo funcionou. E se não funcionou, podemos repetir o procedimento. Isso é o que precisamos na prática.”
Espera-se que a nova abordagem torne a tecnologia da informação quântica mais eficiente e estável em diferentes áreas.
“Precisamos de menos partículas para transportar a mesma quantidade de informação quântica”, afirma Marcus Huber (também do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien). “Isso traz muitas vantagens, inclusive no que diz respeito à confiabilidade das operações quânticas.”
O novo estudo, portanto, abre — literalmente — novas dimensões para as tecnologias quânticas.
Conforme os autores, o experimento representa um avanço importante para o processamento de informação quântica óptica de alta dimensão e tem potencial para aplicações mais amplas além de sistemas ópticos.
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Bibliografia
Curadoria Técnica e Análise Audiovisual: Conteúdo Bibliográfico e Audiovisual Selecionado e Validado por Dr. Sergio Almeida Loiola – CV Lattes/CNPq.
Revista Nature Photonics
Heralded high-dimensional photon-photon quantum gate
DOI: 10.1038/s41566-026-01846-x
Vienna University of Technology – TU Wien
Institute of Atomic and Subatomic Physics
Consultas
OE Journal
http://DOI 10.29026/oea.2026.250263
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