Tecnologia Científica

Uma nova rotação dos a¡tomos da¡ aos cientistas uma visão mais detalhada da estranheza qua¢ntica
Uma equipe de pesquisadores de Princeton, liderada por Jeff Thompson, um professor assistente de engenharia elanãtrica, desenvolveu uma nova maneira de controlar e medir a¡tomos que estãotão pra³ximos que nenhuma lente a³ptica pode distingui-los.
Por Scott Lyon - 31/10/2020


Renderização arta­stica de um manãtodo de medição e controle de spins qua¢nticos desenvolvido na Universidade de Princeton. Crédito: Rachel Davidowitz

Quando os a¡tomos ficam extremamente pra³ximos, eles desenvolvem interações intrigantes que podem ser aproveitadas para criar novas gerações de computação e outras tecnologias. Essas interações no reino da física qua¢ntica tem se mostrado difa­ceis de estudar experimentalmente devido a s limitações ba¡sicas dos microsca³pios a³pticos.

Agora, uma equipe de pesquisadores de Princeton, liderada por Jeff Thompson, um professor assistente de engenharia elanãtrica, desenvolveu uma nova maneira de controlar e medir a¡tomos que estãotão pra³ximos que nenhuma lente a³ptica pode distingui-los.

Descrito em um artigo publicado em 30 de outubro na revista Science , seu manãtodo excita a¡tomos de anãrbio pra³ximos em um cristal usando um laser afinado em um circuito a³ptico em escala nanomanãtrica. Os pesquisadores tiram proveito do fato de que cada a¡tomo responde a frequências ligeiramente diferentes, ou cores, da luz laser , permitindo aos pesquisadores resolver e controlar vários a¡tomos, sem depender de suas informações espaciais .

Em um microsca³pio convencional, o espaço entre dois a¡tomos efetivamente desaparece quando sua separação estãoabaixo de uma distância chave chamada limite de difração, que éaproximadamente igual ao comprimento de onda da luz. Isso éana¡logo a duas estrelas distantes que aparecem como um aºnico ponto de luz no canãu noturno. No entanto, esta étambém a escala em que os a¡tomos comea§am a interagir e dar origem a um comportamento meca¢nico qua¢ntico rico e interessante.

"Sempre nos perguntamos, nonívelmais fundamental - dentro dos sãolidos, dentro dos cristais - o que os a¡tomos realmente fazem? Como eles interagem?" disse o fa­sico Andrei Faraon, professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia que não esteve envolvido na pesquisa. "Este [artigo] abre a janela para estudar a¡tomos que estãomuito pra³ximos ."

Estudar a¡tomos e suas interações em distâncias minaºsculas permite que os cientistas explorem e controlem uma propriedade qua¢ntica conhecida como spin. Como uma forma de impulso, o giro égeralmente descrito como sendo para cima ou para baixo (ou ambos, mas isso éoutra história). Quando a distância entre dois a¡tomos fica cada vez menor - meros bilionanãsimos de metro -, o spin de um exerce influaªncia 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 maispartículas que estãoinextricavelmente ligadas. Partí­culas emaranhadas se comportam como se compartilhassem uma existaªncia, não importa o quanto distantes elas se tornem mais tarde. O emaranhamento éo fena´meno essencial que separa a meca¢nica qua¢nticado mundo cla¡ssico, e estãono centro da visão das tecnologias qua¢nticas. O novo dispositivo Princeton éum trampolim para os cientistas estudarem essas interações de spin com uma clareza sem precedentes.
 
Uma caracterí­stica importante do novo dispositivo de Princeton éseu potencial para lidar com centenas de a¡tomos por vez, fornecendo um rico laboratório qua¢ntico no qual coletar dados empa­ricos. a‰ uma benção para os fa­sicos que esperam desvendar os mistanãrios mais profundos da realidade, incluindo a natureza assustadora do emaranhamento.

"Sempre nos perguntamos, nonívelmais fundamental - dentro dos sãolidos, dentro dos cristais - o que os a¡tomos realmente fazem? Como eles interagem?" disse o fa­sico Andrei Faraon, professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia que não esteve envolvido na pesquisa. "Este [artigo] abre a janela para estudar a¡tomos que estãomuito pra³ximos ."


Essa investigação não émeramente esotanãrica. Nas últimas três décadas, os engenheiros tem procurado usar fena´menos qua¢nticos para criar tecnologias complexas de processamento de informação e comunicação, desde os blocos de construção la³gicos de computadores qua¢nticos emergentes, capazes de resolver problemas de outra forma impossa­veis, atémanãtodos de comunicação ultrasseguros que podem conectar ma¡quinas em um Internet qua¢ntica inquebra¡vel. Para desenvolver ainda mais esses sistemas, os cientistas precisara£o emaranharpartículas de maneira confia¡vel e explorar seu emaranhamento para codificar e processar informações.

A equipe de Thompson viu uma oportunidade no anãrbio. Tradicionalmente usado em lasers e a­ma£s, o anãrbio não foi amplamente explorado para uso em sistemas qua¢nticos porque édifa­cil de observar, segundo os pesquisadores. A equipe fez uma descoberta em 2018, desenvolvendo uma maneira de aumentar a luz emitida por esses a¡tomos e de detectar esse sinal de forma extremamente eficiente. Agora eles mostraram que podem fazer tudo em massa.

Quando o laser ilumina os a¡tomos, ele os excita apenas o suficiente para que emitam uma luz fraca em uma freqa¼aªncia única, mas delicada o suficiente para preservar e ler os spins dos a¡tomos. Essas frequências mudam muito sutilmente de acordo com os diferentes estados dos a¡tomos, de modo que "para cima" tem uma frequência e "para baixo" tem outra, e cada a¡tomo individual tem seu pra³prio par de frequências.

"Se vocêtem 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 aborda¡-los, mesmo que não tenhamos habilidade para resolvaª-los espacialmente ", disse Thompson. "Cada a¡tomo vaª toda a luz, mas eles são ouvem a frequência em que estãosintonizados."

A frequência da luz éum substituto perfeito para o giro. Mudar os giros para cima e para baixo da¡ aos pesquisadores uma maneira de fazer ca¡lculos. a‰ semelhante a transistores que estãoligados ou desligados em um computador cla¡ssico, dando origem aos zeros e uns do nosso mundo digital.

Para formar a base de um processador qua¢ntico útil, esses qubits precisara£o dar um passo adiante.

"A força da interação estãorelacionada a  distância entre os dois spins", disse Songtao Chen, pesquisador de pa³s-doutorado no laboratório de Thompson e um dos dois principais autores do artigo. "Queremos torna¡-los pra³ximos para que possamos ter essa interação maºtua e usar essa interação para criar uma porta lógica qua¢ntica."

Uma porta lógica qua¢ntica requer dois ou mais qubits emaranhados, tornando-o capaz de realizar operações qua¢nticas exclusivas, como calcular os padraµes de dobramento de protea­nas ou rotear informações na internet qua¢ntica.

Thompson, que ocupa uma posição de liderana§a na nova iniciativa de ciência qua¢ntica 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 anãrbio, 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 sila­cio e fibras a³pticas. Essas duas propriedades da£o ao anãrbio uma vantagem industrial sobre os qubits de estado sãolido mais avana§ados da atualidade, que transmitem informações por meio de comprimentos de onda de luz visível que não funcionam bem com redes de comunicação de fibra a³ptica.

Ainda assim, para operar em escala, o sistema de anãrbio precisara¡ ser mais projetado.

Embora a equipe possa controlar e medir o estado de spin de seus qubits, não importa o quanto perto eles cheguem, e usar estruturas a³ticas para produzir medições de alta fidelidade, eles ainda não podem organizar os qubits conforme necessa¡rio para formar portas de dois qubit. Para fazer isso, os engenheiros precisara£o encontrar um material diferente para hospedar os a¡tomos de anãrbio. O estudo foi desenhado com essa melhoria futura em mente.

"Uma das principais vantagens da maneira como fizemos esse experimento éque ele não tem nada a ver com o hospedeiro do anãrbio", disse Mouktik Raha, aluno do sexto ano de graduação em engenharia elanãtrica e um dos dois lideres do jornal autores. "Contanto que vocêpossa colocar anãrbio dentro dele e ele não se agite, vocêestãopronto para ir."

 

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