Vemos o mundo ao nosso redor porque a luz está sendo absorvida por células especializadas em nossa retina. Mas pode a visão acontecer sem qualquer absorção – sem sequer uma única partícula de luz? Surpreendentemente, a resposta é sim.
Imagine que você tem um cartucho de câmera que pode conter um rolo de filme fotográfico. O rolo é tão sensível que entrar em contato com um único fóton o destruiria. Com nossos meios clássicos cotidianos, não há como saber se há filme no cartucho, mas no mundo quântico isso pode ser feito. Anton Zeilinger, um dos vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2022, foi o primeiro a implementar experimentalmente a ideia de um experimento sem interação usando óptica.
Agora, em um estudo que explora a conexão entre os mundos quântico e clássico, Shruti Dogra, John J. McCord e Gheorghe Sorin Paraoanu, da Aalto University, descobriram uma maneira nova e muito mais eficaz de realizar experimentos sem interação. A equipe usou dispositivos transmon – circuitos supercondutores que são relativamente grandes, mas ainda mostram comportamento quântico – para detectar a presença de pulsos de micro-ondas gerados por instrumentos clássicos. Sua pesquisa foi publicada recentemente na Nature Communications.
Um experimento com camada adicional de ‘quantidade’
Embora Dogra e Paraoanu tenham ficado fascinados com o trabalho do grupo de pesquisa de Zeilinger, seu laboratório é centrado em micro-ondas e supercondutores, em vez de lasers e espelhos. “Tivemos que adaptar o conceito às diferentes ferramentas experimentais disponíveis para dispositivos supercondutores. Por causa disso, também tivemos que mudar o protocolo livre de interação padrão de uma maneira crucial: adicionamos outra camada de ‘quantidade’ usando uma energia mais alta nível do transmon. Em seguida, usamos a coerência quântica do sistema de três níveis resultante como um recurso”, diz Paraoanu.
A coerência quântica refere-se à possibilidade de um objeto ocupar dois estados diferentes ao mesmo tempo – algo que a física quântica permite. No entanto, a coerência quântica é delicada e colapsa facilmente, por isso não era imediatamente óbvio que o novo protocolo funcionaria. Para a agradável surpresa da equipe, as primeiras execuções do experimento mostraram um aumento acentuado na eficiência da detecção. Eles voltaram à prancheta várias vezes, executaram modelos teóricos confirmando seus resultados e verificaram tudo duas vezes. O efeito estava definitivamente lá.
“Também demonstramos que mesmo pulsos de micro-ondas de baixa potência podem ser detectados com eficiência usando nosso protocolo”, diz Dogra.
O experimento também mostrou uma nova maneira pela qual os dispositivos quânticos podem alcançar resultados impossíveis para dispositivos clássicos – um fenômeno conhecido como vantagem quântica. Os pesquisadores geralmente acreditam que alcançar a vantagem quântica exigirá computadores quânticos com muitos qubits, mas esse experimento demonstrou uma vantagem quântica genuína usando uma configuração relativamente mais simples.
Aplicações potenciais em muitos tipos de tecnologia quântica
Medições sem interação baseadas na metodologia antiga menos eficaz já encontraram aplicações em processos especializados, como imagem óptica, detecção de ruído e distribuição de chave criptográfica. O método novo e aprimorado pode aumentar drasticamente a eficiência desses processos.
“Na computação quântica, nosso método pode ser aplicado para diagnosticar estados de fótons de microondas em certos elementos de memória. Isso pode ser considerado uma maneira altamente eficiente de extrair informações sem perturbar o funcionamento do processador quântico”, diz Paraoanu.
O grupo liderado por Paraoanu também está explorando outras formas exóticas de processamento de informações usando sua nova abordagem, como a comunicação contrafactual (comunicação entre duas partes sem que nenhuma partícula física seja transferida) e a computação quântica contrafactual (onde o resultado de uma computação é obtido sem fato de rodar o computador).
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