Distin¸c˜ao entre estados n˜ao ortogonais

Assim como no caso das D-CTCs, ´e poss´ıvel se apresentar uma intera¸c˜ao entre um sistema CR e um sistema CT C que torna poss´ıvel a distin¸c˜ao entre estados n˜ao ortogonais. Por´em, diferentemente do modelo de Deutsch, as P-CTCs n˜ao podem ser usadas para distin¸c˜ao entre elementos de um conjunto de estados linearmente dependentes. Esse resultado foi apresentado por Brun e Wilde [49].

Para provar o que foi dito no par´agrafo anterior, considere o seguinte conjunto de N vetores de dimens˜ao N : C = ( |ψki ; |ψji 6= X i6=j αi_|ψii , ∀j ) . (4.88)

Pode-se associar a cada elemento arbitr´ario |ψji desse conjunto um vetor |ϕji tal que

ϕj

|ψi = 0, ∀i 6= j. (4.89)

Assim, ϕ(j)|ψ_(j) 

> 0. Portanto, o que se quer agora ´e mostrar que existe um circuito que implementa a seguinte opera¸c˜ao ˆO sobre o sistema CR:

ˆ

O = |ujiϕj

, (4.90)

sendo {|uji} uma base ortonormal de W(N ). Isso porque, ap´os a normaliza¸c˜ao, ter-se-ia

a seguinte evolu¸c˜ao:

|ψji → |uji . (4.91)

Uma unit´aria ˆU tal que ˆO = tr2 ˆU



surge da composi¸c˜ao da opera¸c˜ao de swap ( ˆ_{S = |u}jiuk

⊗ |u_ki huj|) com a seguinte opera¸c˜ao controlada: |ukiuk

⊗ ˆT_k, (4.92)

sendo que cada operador ˆTk ´e escolhido de modo que satisfa¸ca a seguinte condi¸c˜ao:

u(k)

 ˆT_(k)=ϕ(k) 

. (4.93)

Com essas considera¸c˜oes: ˆ U =_|ukiuk  ⊗ ˆT_k ˆS = |u_jiuk  ⊗ ˆT_j|u_kiuj  . (4.94)

4.4 CTCs por p´os-sele¸c˜ao 60 Logo: ˆ O = |ujiuk  uj   ˆT_j|u_ki (4.95) = |ujiuj   ˆT_j|u_kiuk   = |ujiuj   ˆT_j = |ujiϕj  .

Est´a provado, portanto, que os elementos do conjunto C podem ser distingui- dos em P-CTCs.

Ser´a agora mostrado que vetores linearmente dependentes n˜ao podem ser dis- tinguidos. Para isso, basta notar que um operador de duas partes qualquer, em especial uma unit´aria ˆU que age em dois sistemas, pode ser decomposto, sem perda de generali- dade, da seguinte maneira para numa certa base {|uki}:

ˆ U = ˆAj_{k⊗ |u}jiuk  . (4.96) Assim: ˆ O = ˆAk_k. (4.97)

Ent˜ao, ˆO ´e sempre um simples operador linear. Portanto, se para um certo conjunto de vetores tem-se que ˆ_{O |ψ}0i = C0|u0i → |u0i e ˆO |ψ1i = C1|u1i → |u1i, n˜ao ´e poss´ıvel que

exista um elemento |ψki = α |ψ0i + β |ψ1i, para um certo k, tal que ˆO |ψki → |uki. Isso

porque valeria a igualdade: ˆ

O |ψki = αC0|u0i + βC1|u1i . (4.98)

Com isso, est´a provado que P-CTCs n˜ao distinguem elementos de um conjunto de estados linearmente dependentes.

61

5 Formalismo de Dois Estados

No cap´ıtulo 1, estudou-se um pouco sobre o formalismo usual da MQ, no qual o m´aximo de informa¸c˜ao que se pode ter sobre um sistema quˆantico est´a contido no vetor de estado. Agora, ser´a apresentado um formalismo alternativo proposto por Aharonov, Bergmann e Lebowitz em 1964 [18, 19, 20, 21]. A ideia, que ficar´a clara adiante, era remover a assimetria temporal presente no formalismo usual, pois, para eles, essa n˜ao ´e uma caracter´ıstica inerente da teoria, mas somente uma consequˆencia da escolha das condi¸c˜oes temporais de contorno.

5.1

Introdu¸c˜ao ao Formalismo

Nessa constru¸c˜ao, ao inv´es de se considerar que num certo instante t o sistema ´e totalmente descrito apenas por um ´_{unico vetor de estado |ψi, como no formalismo usual,} ele ser´a totalmente representado por dois vetores de estado (e ´e da´ı que vem o nome do formalismo):

hϕ| ⊗ |ψi . (5.1)

Esse bi-vetor, al´em de conter o estado |ψi pertencente a um espa¸co de estados W , ´e constitu´ıdo tamb´em pelo vetor hϕ| ∈ ¯W . Este ´ultimo estado ´e obtido, na pr´atica, por meio de uma medi¸c˜ao num instante de tempo t1 > t, apesar de ser considerado uma

informa¸c˜ao j´a existente no tempo t. Enquanto a evolu¸c˜ao de |ψi ´e regida pela equa¸c˜ao apresentada no fonal da se¸c˜ao 2.1, a evolu¸c˜ao temporal de hϕ| ´e dada por

hϕ(t)| = hϕ(t1)| ˆU†(t, t1), (5.2)

com t1 > t. O estado |ψi ´e chamado de pr´e-sele¸c˜ao e hϕ| ´e denominado como p´os-sele¸c˜ao.

As predi¸c˜oes desse formalismo s˜ao as mesmas que surgem com o formalismo usual. Por´em, como era de se esperar de um novo formalismo, ele muda drasticamente a maneira como se interpreta os fenˆomenos. O que contribui para essa mudan¸ca ´e justa- mente a presen¸ca de hϕ|. Observe que se pode interpret´a-lo como um estado “viajando”do futuro para o passado. Por isso que, nesse formalismo, ´e suposto que, mesmo que ainda inacess´ıvel na pr´atica, de alguma maneira o futuro do estado j´a existe.

5.1 Introdu¸c˜ao ao Formalismo 62 Com isso, precisa-se criar uma nova regra para se obter a probabilidade de se medir um determinado estado num instante t entre t1 e t2, j´a que deve-se usar uma

express˜ao que envolva o estado do sistema no futuro. Para criar essa regra, imagina-se a seguinte situa¸c˜ao:

1. Um sistema, no instante t0, encontra-se no estado |ψi;

2. Deste instante at´e t, ele sofre uma evolu¸c˜ao dada por ˆU (t0, t), quando, ao final do

per´ıodo, ´e medido na base {|uii};

3. Ap´os essa medi¸c˜ao, o estado do sistema passa a ser |uji, para um j espec´ıfico;

4. O sistema evolui at´e o instante t1 segundo o operador de evolu¸c˜ao dado por ˆU (t, t1);

5. No instante t1, o sistema ´e medido numa base que contenha o estado |ϕi, passando

a se encontrar nesse estado.

Utilizando o formalismo usual, a problabilidade deste evento acontecer ´e dada por (lembrando que ˆU (t, t′_{) = ˆU}†_(t′_{, t)):}

Pj =   hϕ|U (t, tˆ 1)  u_(j) u(j)   ˆU (t₀, t) |ψi    2 . (5.3)

Mas o valor que se queria obter inicialmente n˜ao ´e esse. Isso porque o caso no qual se est´a interessado, apesar de ser muito parecido com a situa¸c˜ao apesentada acima, n˜ao ´e exatamente idˆentico a ela. N˜ao ´e dif´ıcil perceber que a diferen¸ca est´a no fato de que, na situa¸c˜ao acima, a probabilidade medida considera que |ϕi ´e apenas um dos poss´ıveis estados do sistema no final do processo. No formalismo de dois estados, como foi visto, considera-se que, mesmo que inacess´ıvel na pr´atica, a informa¸c˜ao de que o sistema estar´a no estado |ϕi no instante t1 j´a existe. Assim, o estado |ϕi ´e a ´unica op¸c˜ao de medi¸c˜ao no

final do processo.

Para “corrigir”o valor obtido na situa¸c˜ao hipot´etica acima, deve-se dividir Pj

pela probabilidade de ocorrˆencia de todos os eventos poss´ıveis nos quais |ϕi ´e o estado do sistema ap´os a etapa 5, isto ´e, devemos divir Pj por P_iPi. Dessa forma, obt´em-se a

regra ABL, que ´e a probabilidade de se medir um dado estado |uji no formalismo de dois

estados: PABL(uj) =   hϕ|U (t, tˆ 1)  u_(j) u(j)   ˆU (t₀, t) |ψi    2 P i   hϕ|U (t, tˆ 1) |uii hu i_{| ˆU (t} 0, t) |ψi    2. (5.4)

5.2 Medi¸c˜ao Fraca e Valor Fraco 63