Pesquisadores da Universidade de Oxford criaram um novo tipo de superposição quântica, um fenômeno frequentemente associado ao famoso experimento mental do gato de Schrödinger. Ao contrário das versões anteriores, estes estados recentemente demonstrados são construídos a partir de componentes quânticos altamente não clássicos. A conquista poderá ajudar a avançar a computação quântica para além dos sistemas binários tradicionais, melhorar as tecnologias de detecção e fornecer novos conhecimentos sobre os fundamentos da física quântica.
Uma das características mais surpreendentes da mecânica quântica é que os objetos podem existir em vários estados ao mesmo tempo. Este conceito é comumente ilustrado pelo gato de Schrödinger, um gato hipotético que se acredita estar vivo e morto até ser observado.
Embora o experimento mental seja fictício, os cientistas criam regularmente superposições quânticas reais no laboratório. Átomos, luz e até mesmo movimento podem ser colocados em vários estados quânticos ao mesmo tempo. A capacidade de criar e controlar esses estados é crítica para tecnologias como computadores quânticos e relógios ultraprecisos.
Um exemplo famoso é um bit quântico, ou qubit, que pode existir como uma combinação de 0 e 1 ao mesmo tempo. No entanto, os sistemas quânticos são capazes de muito mais do que um comportamento de dois estados.
Os osciladores harmônicos quânticos, que podem ocupar muitos níveis de energia, oferecem um conjunto muito mais rico de possibilidades. Esses osciladores descrevem uma ampla gama de sistemas físicos, incluindo luz, vibração e movimento de partículas aprisionadas. Os cientistas os usaram para criar vários tipos de superposições quânticas. Um exemplo bem conhecido é o “estado gato”, onde o oscilador existe como uma superposição de dois pacotes de ondas viajando em direções opostas. Esses pacotes de ondas, chamados de estados coerentes, são os equivalentes quânticos mais próximos do movimento clássico.
Construção de estados quânticos a partir de componentes não clássicos
Agora, a equipe de Oxford demonstrou uma família inteiramente nova de superposições quânticas.
Em vez de criar estados cat a partir de pacotes de ondas com um estado coerente, os pesquisadores desenvolveram um método que combina uma ampla gama de componentes quânticos que já são altamente não clássicos. Numa superposição com um estado comprimido, por exemplo, a incerteza quântica é distribuída de forma diferente em cada parte do estado.
O experimento foi baseado no movimento de um íon preso. Um íon preso combina dois sistemas quânticos diferentes em uma única plataforma. Seu estado interno se comporta como um qubit, enquanto seu movimento atua como um oscilador harmônico quântico que pode ocupar muitos estados de movimento diferentes. Essa combinação torna os íons aprisionados particularmente úteis para a criação de estados quânticos além dos qubits comuns.
Para criar os novos estados, os pesquisadores primeiro projetaram uma interação que entrelaçava o estado interno do íon com diferentes estados de movimento possíveis. Eles então realizaram uma medição quântica do estado interno do meio da cadeia, fazendo com que o movimento do íon colapsasse na desejada superposição de componentes não clássicos.
“Essa abordagem nos deu uma ferramenta para criar uma superposição quântica de quase qualquer formato”, explica o autor principal, Dr. Sebastian Saner (Departamento de Física da Universidade de Oxford).
Controle programável de estados quânticos exóticos
O novo método deu à equipe um alto grau de controle sobre os estados quânticos que criaram.
Ajustando os parâmetros experimentais, eles poderiam alterar o tamanho relativo, a orientação e a separação dos componentes na superposição. Essa flexibilidade permitiu-lhes criar uma ampla gama de estados quânticos móveis incomuns usando o mesmo sistema de íons aprisionados.
Os pesquisadores então recriaram diretamente os estados quânticos. Suas medições revelaram padrões de interferência e regiões de negatividade de Wigner – indicações claras de que esses estados não podem ser descritos como misturas clássicas comuns. Essas observações confirmaram que o experimento criou com sucesso verdadeiras superposições quânticas que consistem em estados de movimento verdadeiramente não clássicos.
A equipe está agora trabalhando com teóricos para entender melhor o quão “quânticos” são esses estados recém-criados.
“Ficámos muito encorajados com a reacção dos nossos colegas quando lhes mostrámos o que tínhamos feito. Acreditamos que ainda estamos a arranhar a superfície do que é possível, tanto para aplicações práticas como para a compreensão destes estados a um nível mais fundamental, “diz o Dr. Raghavendra Srinivas (Departamento de Física, Universidade de Oxford), que liderou o trabalho.
Impacto potencial na computação quântica
A pesquisa aponta para futuras tecnologias quânticas que dependem de osciladores quânticos, e não apenas de simples bits quânticos.
Uma aplicação particularmente promissora é a computação quântica. Esses tipos de estados podem ser mais tolerantes a falhas, ao mesmo tempo que suportam estratégias de correção de erros mais simples e eficientes. Além da computação, eles fornecem uma nova plataforma experimental para investigar uma das questões mais importantes da física: onde fica a fronteira entre o mundo clássico que vivenciamos e a realidade quântica subjacente que o governa.
