Os spins de um material, descritos como esferas vermelhas, são sondados por nêutrons espalhados. A aplicação de uma testemunha de emaranhamento, como o cálculo QFI ilustrado, faz com que os nêutrons formem uma espécie de medidor quântico. Este medidor permite aos pesquisadores distinguir entre flutuações de spin clássicas e quânticas. Crédito: Nathan Armistead / ORNL, Departamento de Energia dos EUA

O emaranhamento quântico ocorre quando duas partículas parecem se comunicar sem uma conexão física, um fenômeno que Albert Einstein chamou de “ação fantasmagórica à distância”. Quase 90 anos depois, uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA demonstrou a viabilidade de uma “testemunha de emaranhamento quântico” capaz de provar a presença de emaranhamento entre partículas magnéticas, ou spins, em um material quântico.

A equipe – incluindo pesquisadores do ORNL, Helmholtz-Zentrum Berlin, da Universidade Técnica de Berlim, do Institut Laue-Langevin, da Universidade de Oxford e da Universidade Adam Mickiewicz – testou três testemunhas de emaranhamento usando uma combinação de experimentos de espalhamento de nêutrons e simulações computacionais. Testemunhas de emaranhamento são técnicas que agem como ferramentas de análise de dados para determinar quais spins cruzam o limiar entre os reinos clássico e quântico.

Introduzido pela primeira vez por John Stewart Bell na década de 1960, testemunhas de emaranhamento confirmaram que a teoria quântica questionada por outros cientistas estava correta. A técnica de Bell se baseava na detecção de um par de partículas por vez, mas essa abordagem não é útil para estudar materiais sólidos compostos de trilhões e trilhões de partículas. Ao apontar e detectar grandes coleções de spins emaranhados usando novas testemunhas de emaranhamento, a equipe estendeu este conceito para caracterizar materiais sólidos e estudar o comportamento exótico em supercondutores e ímãs quânticos.

Para garantir que as testemunhas pudessem ser confiáveis, a equipe aplicou os três a um material que eles sabiam estar emaranhados devido a um estudo anterior de dinâmica de spin. Duas das testemunhas, que são baseadas na abordagem de Bell, indicaram adequadamente a presença de emaranhamento nesta cadeia de spin unidimensional – uma linha reta de spins adjacentes que se comunicam com seus vizinhos enquanto desconsideram outras partículas – mas a terceira, que é baseada em a teoria da informação quântica se saiu excepcionalmente bem na mesma tarefa.

“A informação quântica de Fisher, ou QFI, testemunha mostrou uma estreita sobreposição entre teoria e experimento, o que a torna uma forma robusta e confiável de quantificar o emaranhamento”, disse Allen Scheie, pós-doutorando associado da ORNL e principal autor da prova da equipe Artigo de conceito publicado na Physical Review B.

Como as flutuações em um material que parece ser quântico na natureza podem ser causadas por movimento térmico aleatório, que só desaparece em zero absoluto na escala de temperatura, a maioria dos métodos modernos não consegue distinguir entre esses alarmes falsos e a atividade quântica real. A equipe não apenas confirmou a previsão teórica de que o emaranhamento aumenta à medida que a temperatura diminui, mas também diferenciou com sucesso entre a atividade clássica e quântica como parte da demonstração QFI mais abrangente desde que a técnica foi proposta em 2016.

“Os materiais mais interessantes estão cheios de emaranhamento quântico, mas esses são precisamente os mais difíceis de calcular”, disse o cientista de espalhamento de nêutrons do ORNL Alan Tennant, que lidera um projeto focado em ímãs quânticos para o Quantum Science Center, ou QSC , um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE com sede em ORNL.

Anteriormente, o desafio de identificar rapidamente os materiais quânticos representava um obstáculo significativo para a missão do centro, que envolve explorar o emaranhamento para desenvolver novos dispositivos e sensores enquanto avança no campo da ciência da informação quântica. A simplificação desse processo com QFI permite que os pesquisadores do QSC se concentrem em aproveitar o poder de substâncias, como fases raras da matéria, chamadas de líquidos de spin quântico, e materiais que não resistem à eletricidade, chamados de supercondutores, para armazenamento de dados e aplicativos de computação.

“O poder do QFI vem de sua conexão com a metrologia quântica, na qual os cientistas entrelaçam várias quasipartículas para reduzir a incerteza e obter medições extremamente precisas”, disse Scheie. “A testemunha QFI inverte essa abordagem usando a precisão de uma medição existente para determinar o número mínimo de partículas com que cada spin está emaranhado. Esta é uma maneira poderosa de revelar interações quânticas, o que significa que QFI é realmente aplicável a qualquer material magnético quântico .”

Tendo estabelecido que o QFI poderia categorizar corretamente os materiais, a equipe testou uma segunda cadeia de spin unidimensional, um material mais complexo com anisotropia, que é uma propriedade que faz com que os spins fiquem em um plano em vez de girar aleatoriamente. Os pesquisadores aplicaram um campo magnético à cadeia de spin e observaram uma transição de emaranhamento, na qual a quantidade de emaranhamento caiu a zero antes de reaparecer. Eles publicaram essa descoberta na Physical Review Letters.

Para alcançar esses resultados, os pesquisadores estudaram ambas as cadeias de spin usando espalhamento de nêutrons e, em seguida, analisaram dados legados de experimentos realizados décadas atrás na ISIS Neutron Source na Inglaterra e no Institut Laue-Langevin na França, juntamente com novos dados do Wide Angular-Range Chopper Espectrômetro localizado na Fonte de Nêutrons de Espalação, uma instalação de usuário do DOE Office of Science operada pela ORNL. Eles também executaram simulações complementares para validar os resultados contra dados teóricos idealizados.

Os nêutrons, que Tennant descreve como “lindamente simples”, são uma ferramenta ideal para sondar as propriedades de um material por causa de sua carga neutra e natureza não destrutiva.

“Ao estudar a distribuição de nêutrons que se espalham em uma amostra, que transfere energia, fomos capazes de usar nêutrons como um medidor para medir o emaranhamento quântico sem depender de teorias e sem a necessidade de computadores quânticos massivos que ainda não existem,” Tennant disse.

De acordo com a equipe, essa combinação de recursos computacionais e experimentais avançados forneceu respostas sobre a natureza do emaranhamento quântico originalmente perguntadas pelos fundadores da mecânica quântica. Scheie espera que os cálculos QFI provavelmente se tornem parte do procedimento padrão para experimentos de espalhamento de nêutrons que podem eventualmente caracterizar até mesmo os materiais quânticos mais misteriosos.

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