Tecnologia Científica

Pesquisadores de Stanford mostram um novo nível de controle sobre como os átomos interagem
Um novo estudo demonstra – pela primeira vez – como programar de forma versátil os átomos para compartilhar informações, independentemente de sua localização espacial, abrindo caminhos na física fundamental e na computação avançada.
Por Adam Hadhazy - 26/02/2022

Em um novo estudo, pesquisadores de Stanford demonstram como manipular átomos para que eles interajam com um grau de controle sem precedentes. Usando campos magnéticos e de luz entregues com precisão, os pesquisadores programaram uma linha reta de átomos em formas semelhantes a árvores, um laço torcido chamado tira de Möbius e outros padrões.

A partir da esquerda, Eric Cooper, Philipp Kunkel, Avikar Periwal e
Monika Schleier-Smith. (Crédito da imagem: Khoi Huynh)

Essas formas foram produzidas não movendo fisicamente os átomos, mas controlando a maneira como os átomos trocam partículas e “sincronizam” para compartilhar certas propriedades. Ao manipular cuidadosamente essas interações, os pesquisadores podem gerar uma vasta gama de geometrias. É importante ressaltar que eles descobriram que os átomos nas extremidades da linha reta podem ser programados para interagir tão fortemente quanto os átomos localizados próximos uns dos outros no centro da linha. Para o conhecimento dos pesquisadores, a capacidade de programar interações não-locais nesse grau, independentemente das localizações espaciais reais dos átomos, nunca havia sido demonstrada antes.

As descobertas podem ser um passo fundamental no desenvolvimento de tecnologias avançadas para computação e simulação com base nas leis da mecânica quântica – a descrição matemática de como as partículas se movem e interagem em escala atômica.

“Neste artigo, demonstramos um nível totalmente novo de controle sobre a programabilidade das interações em um sistema de mecânica quântica”, disse a autora sênior do estudo Monika Schleier-Smith , Nina C. Crocker Faculty Scholar e professora associada do Departamento de Física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford . “É um marco importante para o qual trabalhamos há muito tempo e, ao mesmo tempo, é um ponto de partida para novas oportunidades.”

O estudo foi publicado em 22 de dezembro na revista Nature .

Dois estudantes de pós-graduação, Avikar Periwal e Eric Cooper, bem como um bolsista de pós-doutorado, Philipp Kunkel, são coautores principais do artigo. Periwal, Cooper e Kunkel são pesquisadores do laboratório de Schleier-Smith em Stanford.

“Avikar, Eric e Philipp trabalharam muito bem juntos como uma equipe na execução dos experimentos, criando maneiras inteligentes de analisar e visualizar os dados e desenvolver os modelos teóricos”, disse Schleier-Smith. “Estamos todos muito empolgados com esses resultados.”

“Escolhemos algumas geometrias simples, como anéis e cadeias desconectadas, apenas como prova de princípio, mas também formamos geometrias mais complexas, incluindo estruturas em forma de escada e interações em forma de árvore, que têm aplicações para abrir problemas em física”, Periwal, Cooper e Kunkel disse em uma declaração do grupo.

Sincronizando átomos no comando

Periwal, Cooper, Kunkel e colegas realizaram experimentos para o estudo em aparelhos conhecidos como mesas ópticas, um par dos quais domina o espaço no laboratório de Schleier-Smith. As mesas são inseridas com conjuntos intrincados de componentes eletrônicos amarrados por fios multicoloridos. No centro de uma mesa óptica está uma câmara de vácuo, consistindo de um cilindro metálico cravejado de janelas de vigia. Uma bomba expele todo o ar desta câmara para que nenhum outro átomo possa perturbar os pequenos grupos de átomos de rubídio cuidadosamente colocados dentro dela. Os pesquisadores de Stanford enviaram lasers para esta câmara sem ar para prender os átomos de rubídio, retardando o movimento dos átomos e resfriando-os até o zero absoluto – a temperatura mais baixa teoricamente possível onde o movimento das partículas chega a uma paralisação virtual.

Imagem da câmara de vácuo na mesa óptica onde a equipe de pesquisa de
Stanford usou campos magnéticos e de luz fornecidos com precisão para programar
uma linha reta de átomos em formas semelhantes a árvores, um laço torcido
chamado tira de Möbius e outros padrões. (Crédito da
imagem: Monika Schleier-Smith)

A luz brilhante através dos grupos de átomos dessa maneira também serve como um meio de fazer com que os átomos “falem” uns com os outros. À medida que a luz atinge cada átomo, ela transmite informações entre eles, gerando padrões chamados “correlações”, em que cada átomo compartilha uma certa propriedade mecânica quântica desejada. Um exemplo de propriedade da mecânica quântica é o momento angular total, conhecido como spin de um átomo e que pode ter valores de, por exemplo, +1, 0 ou –1.

Pesquisadores em Stanford e em outros lugares correlacionaram redes atômicas antes de usar sistemas de átomos resfriados a laser, mas, até recentemente, apenas dois tipos básicos de redes atômicas podiam ser feitos. Em uma, chamada de rede tudo-para-todos, cada átomo fala com todos os outros átomos. O segundo tipo de rede opera no que é conhecido como princípio do vizinho mais próximo, onde os átomos suspensos por laser interagem mais fortemente com os átomos adjacentes.

Neste novo estudo, os pesquisadores de Stanford lançam um método muito mais dinâmico que transmite informações sobre distâncias específicas entre grupos discretos de átomos. Dessa forma, a localização espacial não importa, e um conjunto muito mais rico de correlações pode ser programado.

“Com uma rede de todos para todos, é como se eu estivesse enviando um boletim mundial para todos, enquanto em uma rede vizinha mais próxima, é como se estivesse falando apenas com a pessoa que mora ao lado”, disse Schleier-Smith . “Com a programabilidade que demonstramos agora em nosso laboratório, é como se eu pegasse um telefone e discasse para a pessoa exata com quem quero falar localizada em qualquer lugar do mundo.”

Os pesquisadores conseguiram criar essas interações e correlações não-locais controlando as frequências de luz que brilhavam nos cachos presos de átomos de rubídio e variando a força de um campo magnético aplicado na mesa óptica. À medida que o campo magnético aumentava de intensidade de uma extremidade da câmara de vácuo à outra, fazia com que cada grupo de átomos ao longo da linha girasse um pouco mais rápido do que o grupo anterior vizinho. Embora cada cacho atômico tivesse uma taxa de rotação única, de vez em quando, certos cachos chegavam periodicamente à mesma orientação - mais ou menos como uma fileira de relógios com ponteiros progressivamente girando mais rápido ainda lê momentaneamente os mesmos tempos. Os pesquisadores usaram a luz para ativar e medir seletivamente as interações entre essas nuvens atômicas momentaneamente sincronizadas.

“A capacidade de gerar e controlar esses tipos de interações não locais é poderosa”, acrescentou Schleier-Smith. “Isso muda fundamentalmente a maneira como a informação pode viajar e os sistemas quânticos que podemos projetar”.

Beneficiando-se de um controle versátil

Uma das muitas aplicações do trabalho da equipe de Stanford é a elaboração de algoritmos de otimização para computadores quânticos – máquinas que dependem das leis da mecânica quântica para processar números. A computação quântica tem aplicações em inteligência artificial, aprendizado de máquina, segurança cibernética, modelagem financeira, desenvolvimento de medicamentos, previsão de mudanças climáticas, otimização de logística e programação. Por exemplo, algoritmos quânticos adaptados para computadores podem resolver problemas de agendamento com eficiência, encontrando as rotas mais curtas possíveis para entregas ou agendamento ideal de aulas universitárias para que o maior número de alunos possa participar.

Visão detalhada da câmara de vácuo, contendo um ressonador óptico que permite
que a luz transporte informações entre átomos distantes.
(Crédito da imagem: Philipp Kunkel)

Outra aplicação altamente promissora é testar teorias da gravidade quântica. As formas em forma de árvore neste estudo foram expressamente projetadas para esse propósito - elas servem como modelos básicos de espaço-tempo curvados por um novo conceito hipotético de gravidade baseado em princípios da mecânica quântica que renovariam nossa compreensão da gravidade, conforme descrito na teoria da relatividade de Albert Einstein . Uma abordagem semelhante também pode ser aplicada para investigar os objetos cósmicos ultradensos e que aprisionam a luz chamados buracos negros.

Schleier-Smith e seus colegas estão agora trabalhando para mostrar que seus experimentos podem produzir emaranhamento quântico, onde os estados quânticos entre os átomos são correlacionados de uma maneira que pode ser aproveitada para aplicações que variam de sensores ultraprecisos à computação quântica.

“Fizemos muitos progressos com este estudo e estamos procurando aprimorá-lo”, disse Schleier-Smith. “Nosso trabalho demonstra um novo nível de controle que pode ajudar a preencher a lacuna, em várias áreas da física, entre ideias teóricas elegantes e experimentos reais.”

Os coautores adicionais do estudo, intitulado Interações programáveis ​​e geometria emergente em uma matriz de nuvens de átomos , incluem Julian F. Wienand, ex-Departamento de Física de Stanford, agora na Ludwig-Maximilians-Universität em Munique, Alemanha, e Emily J . Davis do Departamento de Física de Stanford.

O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia, Escritório de Física de Altas Energias e Escritório de Ciências Básicas de Energia. O financiamento também foi fornecido pela National Science Foundation, a National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship, o National Science Foundation Graduate Research Fellow Program, a Hertz Foundation e a German Academic Scholarship Foundation.

 

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