07/07/2022 - 8:42
Físicos da Universidade de Chicago inventaram uma “flauta quântica” que, como o instrumento da história do flautista de Hamelin, pode forçar partículas de luz a se moverem juntas de uma maneira nunca vista antes.
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Descrita em dois estudos publicados na Physical Review Letters e na Nature Physics, a descoberta pode apontar o caminho para a realização de memórias quânticas ou novas formas de correção de erros em computadores quânticos e a observação de fenômenos quânticos que não podem ser vistos na natureza.
Uma “nota” para cada comprimento de onda
O laboratório do professor associado David Schuster na Universidade de Chicago (EUA) trabalha com bits quânticos — o equivalente quântico de um bit de computador — que exploram as estranhas propriedades das partículas nos níveis atômico e subatômico para fazer coisas que de outra forma seriam impossíveis. Neste experimento, eles estavam trabalhando com partículas de luz, conhecidas como fótons, no espectro de micro-ondas.
O sistema que eles criaram consiste em uma longa cavidade feita em um único bloco de metal, projetada para capturar fótons em frequências de micro-ondas. A cavidade é feita perfurando furos deslocados – como furos em uma flauta.
“Assim como no instrumento musical”, disse Schuster, “você pode enviar um ou vários comprimentos de onda de fótons por toda a coisa, e cada comprimento de onda cria uma ‘nota’ que pode ser usada para codificar informações quânticas”. Os pesquisadores podem então controlar as interações das “notas” usando um bit quântico mestre, um circuito elétrico supercondutor.
Mas sua descoberta mais estranha foi a maneira como os fótons se comportaram juntos.
Interação geral
Na natureza, os fótons quase nunca interagem – eles simplesmente passam um pelo outro. Com uma preparação meticulosa, os cientistas às vezes podem fazer com que dois fótons reajam à presença um do outro.
“Aqui fazemos algo ainda mais estranho”, disse Schuster. “No início, os fótons não interagem, mas quando a energia total do sistema atinge um ponto de inflexão, de repente, todos estão conversando entre si.”
Ter tantos fótons “falando” uns com os outros em um experimento de laboratório é extremamente estranho, semelhante a ver um gato andando nas patas traseiras.
“Normalmente, a maioria das interações de partículas são uma a uma – duas partículas saltando ou atraindo-se”, disse Schuster. “Se você adicionar uma terceira, elas geralmente ainda estão interagindo sequencialmente com uma ou outra. Mas este sistema faz com que todas elas interajam ao mesmo tempo.”
Simulação de fenômenos físicos complexos
Seus experimentos testaram apenas até cinco “notas” por vez, mas os cientistas poderiam eventualmente imaginar a execução de centenas ou milhares de notas em um único qubit para controlá-las. Com uma operação tão complexa quanto um computador quântico, os engenheiros querem simplificar em todos os lugares que puderem, disse Schuster: “Se você quisesse construir um computador quântico com 1.000 bits e pudesse controlar todos eles por meio de um único bit, isso seria incrivelmente valioso”.
Os pesquisadores também estão animados com o comportamento em si. Ninguém observou nada parecido com essas interações na natureza, então os pesquisadores também esperam que a descoberta possa ser útil para simular fenômenos físicos complexos que nem podem ser vistos aqui na Terra, incluindo talvez até parte da física dos buracos negros.
Além disso, os experimentos são apenas divertidos.
“Normalmente, as interações quânticas ocorrem em escalas de comprimento e tempo muito pequenas ou rápidas para serem vistas. Em nosso sistema, podemos medir fótons únicos em qualquer uma de nossas notas e observar o efeito da interação enquanto ela acontece. É realmente muito legal ‘ver’ uma interação quântica com seus olhos”, disse Srivatsan Chakram, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Chicago, coprimeiro autor do artigo e agora professor assistente na Universidade Rutgers (EUA).
