Renderização artística de um método de medição e controle de spins quânticos desenvolvido na Universidade de Princeton. Crédito: Rachel Davidowitz

Quando os átomos ficam extremamente próximos, eles desenvolvem interações intrigantes que podem ser aproveitadas para criar novas gerações de computação e outras tecnologias. Essas interações no reino da física quântica têm se mostrado difíceis de estudar experimentalmente devido às limitações básicas dos microscópios ópticos.

Agora, uma equipe de pesquisadores de Princeton, liderada por Jeff Thompson, um professor de engenharia elétrica, desenvolveu uma nova maneira de controlar e medir átomos que estão tão próximos que nenhuma lente óptica pode distingui-los.

Descrito em um artigo publicado na revista Science, seu método excita átomos de érbio próximos em um cristal usando um laser afinado em um circuito óptico em escala nanométrica. Os pesquisadores tiram proveito do fato de que cada átomo responde a frequências ligeiramente diferentes, ou cores, da luz laser, permitindo aos pesquisadores resolver e controlar vários átomos, sem depender de suas informações espaciais.

Em um microscópio convencional, o espaço entre dois átomos efetivamente desaparece quando sua separação está abaixo de uma distância chave chamada limite de difração, que é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz. Isso é análogo a duas estrelas distantes que aparecem como um único ponto de luz no céu noturno. No entanto, esta é também a escala em que os átomos começam a interagir e dar origem a um comportamento mecânico quântico rico e interessante.

“Sempre nos perguntamos, no nível mais fundamental – dentro dos sólidos, dentro dos cristais – o que os átomos realmente fazem? Como eles interagem?” disse o físico Andrei Faraon, professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia que não esteve envolvido na pesquisa. “Este [artigo] abre a janela para estudar átomos que estão muito próximos.”

Estudar átomos e suas interações em distâncias minúsculas permite que os cientistas explorem e controlem uma propriedade quântica conhecida como spin. Como uma forma de impulso, o giro é geralmente descrito como sendo para cima ou para baixo (ou ambos, mas isso é outra história). Quando a distância entre dois átomos fica cada vez menor – meros bilionésimos de metro -, o spin de um exerce influência sobre o spin do outro e vice-versa. Conforme os spins interagem neste reino, eles podem se tornar emaranhados, um termo que os cientistas usam para descrever duas ou mais partículas que estão inextricavelmente ligadas. Partículas emaranhadas se comportam como se compartilhassem uma existência, não importa o quão distantes elas se tornem mais tarde. O emaranhamento é o fenômeno essencial que separa a mecânica quântica do mundo clássico e está no centro da visão das tecnologias quânticas. O novo dispositivo Princeton é um trampolim para os cientistas estudarem essas interações de spin com uma clareza sem precedentes.

Uma característica importante do novo dispositivo de Princeton é seu potencial para lidar com centenas de átomos por vez, fornecendo um rico laboratório quântico no qual coletar dados empíricos. É uma benção para os físicos que esperam desvendar os mistérios mais profundos da realidade, incluindo a natureza assustadora do emaranhamento.

Essa pesquisa não é meramente esotérica. Nas últimas três décadas, os engenheiros têm procurado usar fenômenos quânticos para criar tecnologias complexas de processamento de informação e comunicação, desde os blocos de construção lógicos de computadores quânticos emergentes, capazes de resolver problemas de outra forma impossíveis, até métodos de comunicação ultrasseguros que podem conectar máquinas em um Internet quântica inquebrável. Para desenvolver ainda mais esses sistemas, os cientistas precisarão emaranhar partículas de maneira confiável e explorar seu emaranhamento para codificar e processar informações.

A equipe de Thompson viu uma oportunidade no érbio. Tradicionalmente usado em lasers e ímãs, o érbio não foi amplamente explorado para uso em sistemas quânticos porque é difícil de observar, segundo os pesquisadores. A equipe fez uma descoberta em 2018, desenvolvendo uma maneira de aumentar a luz emitida por esses átomos e de detectar esse sinal de forma extremamente eficiente. Agora eles mostraram que podem fazer tudo em massa.

Quando o laser ilumina os átomos, ele os excita apenas o suficiente para que emitam uma luz fraca em uma freqüência única, mas delicada o suficiente para preservar e ler os spins dos átomos. Essas frequências mudam muito sutilmente de acordo com os diferentes estados dos átomos, de modo que “para cima” tem uma frequência e “para baixo” tem outra, e cada átomo individual tem seu próprio par de frequências.

“Se você tem um conjunto desses qubits, todos eles emitem luz em frequências levemente diferentes. E assim, sintonizando o laser cuidadosamente na frequência de um ou na frequência do outro, podemos abordá-los, mesmo que não tenhamos habilidade para resolvê-los espacialmente”, disse Thompson. “Cada átomo vê toda a luz, mas eles só ouvem a frequência em que estão sintonizados.”

A frequência da luz é um substituto perfeito para o giro. Mudar os giros para cima e para baixo dá aos pesquisadores uma maneira de fazer cálculos. É semelhante a transistores que estão ligados ou desligados em um computador clássico, dando origem aos zeros e uns do nosso mundo digital.

Para formar a base de um processador quântico útil, esses qubits precisarão dar um passo adiante.

“A força da interação está relacionada à distância entre os dois spins”, disse Songtao Chen, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Thompson e um dos dois principais autores do artigo. “Queremos torná-los próximos para que possamos ter essa interação mútua e usar essa interação para criar uma porta lógica quântica.”

Uma porta lógica quântica requer dois ou mais qubits emaranhados, tornando-o capaz de realizar operações quânticas exclusivas, como calcular os padrões de dobramento de proteínas ou rotear informações na internet quântica.

Thompson, que ocupa uma posição de liderança na nova iniciativa de ciência quântica de US$ 115 milhões do Departamento de Energia dos Estados Unidos, tem a missão de colocar esses qubits em prática. Dentro do impulso de materiais do Co-Design Center for Quantum Advantage, ele lidera os sub-qubits para computação e rede.

Seu sistema de érbio, um novo tipo de qubit especialmente útil em aplicações de rede, pode operar usando a infraestrutura de telecomunicações existente, enviando sinais na forma de luz codificada por dispositivos de silício e fibras ópticas. Essas duas propriedades dão ao érbio uma vantagem industrial sobre os qubits de estado sólido mais avançados da atualidade, que transmitem informações por meio de comprimentos de onda de luz visível que não funcionam bem com redes de comunicação de fibra óptica.

Ainda assim, para operar em escala, o sistema de érbio precisará ser mais projetado.

Embora a equipe possa controlar e medir o estado de spin de seus qubits, não importa o quão perto eles cheguem, e usar estruturas óticas para produzir medições de alta fidelidade, eles ainda não podem organizar os qubits conforme necessário para formar portas de dois qubit. Para fazer isso, os engenheiros precisarão encontrar um material diferente para hospedar os átomos de érbio. O estudo foi desenhado com essa melhoria futura em mente.

“Uma das principais vantagens da maneira como fizemos esse experimento é que ele não tem nada a ver com o hospedeiro do érbio”, disse Mouktik Raha, aluno de graduação em engenharia elétrica e um dos dois líderes do jornal autores. “Contanto que você possa colocar érbio dentro dele e ele não se agite, você está pronto para seguir.”

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