Muitas das tecnologias quânticas mais promissoras, incluindo sensores avançados e futuros computadores quânticos, dependem de um fenómeno conhecido como emaranhamento, quando as partículas ficam profundamente emaranhadas e afectam-se umas às outras de formas que não podem ser explicadas pela física clássica. A geração dos complexos estados emaranhados necessários para essas tecnologias exige tradicionalmente equipamentos sofisticados e sistemas experimentais cuidadosamente projetados.
Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) propuseram uma abordagem muito mais simples. Seu novo método teórico pode criar e controlar uma ampla gama de estados quânticos emaranhados com ferramentas já comuns em muitos laboratórios de física quântica.
O trabalho publicado em Exame físico de Xpoderia ajudar a desenvolver a detecção quântica ultraprecisa e abrir novas oportunidades para o estudo da física fundamental.
“Queríamos pegar ingredientes simples encontrados em muitas plataformas físicas e combiná-los de maneiras mínimas para produzir algo interessante, complexo e poderoso”, disse Aashish Clerk, professor de engenharia molecular na UChicago PME e autor sênior do novo estudo.
A pesquisa foi apoiada pelo Q-NEXT, Centro Nacional de Pesquisa de Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA (DOE), liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA.
Repensando os sistemas QED de cavidade
A abordagem da equipe é baseada na eletrodinâmica quântica de cavidades, comumente conhecida como cavidade QED. Nestes experimentos, átomos ou outras partículas são colocados em uma cavidade óptica composta por dois espelhos que prendem a luz entre eles. As partículas então interagem com a luz confinada dentro da cavidade.
Uma limitação de muitos sistemas QED de cavidade é que todos os átomos interagem com a luz exatamente da mesma maneira. Como os átomos são efetivamente indistinguíveis, a gama de estados quânticos que podem ser criados é limitada.
“O problema sempre foi que esses sistemas têm muita simetria. Todos os átomos conversam com a luz da mesma maneira”, disse Clerk. “Isso realmente limita os estados emaranhados que você obtém.”
Em um projeto QED convencional com cavidade, cada átomo possui um estado fundamental e um estado excitado separados por uma certa diferença de energia.
Os pesquisadores encontraram uma maneira simples de reduzir a simetria do sistema. Embora todos os átomos continuem a ser impulsionados pelo mesmo laser, lasers ou campos magnéticos adicionais são usados para mudar a energia do estado excitado de diferentes grupos de átomos. Os átomos são organizados de modo que cada um emparelhe com outro átomo que tenha um deslocamento de energia igual, mas oposto.
Esta modificação simples permite que os átomos se comportem de maneira diferente uns dos outros, mantendo estrutura suficiente para que o sistema permaneça controlável e previsível. Ao alterar quais átomos recebem certas mudanças de energia, os cientistas podem ajustar o sistema para criar diferentes estados emaranhados sem alterar o hardware físico.
“Você liga esses lasers e espera, e em algum momento o sistema se estabilizará em um estado quântico interessante e altamente emaranhado”, disse Anjun Chu, pós-doutorado no grupo de Clerk e primeiro autor do novo artigo. “Apenas ajustando os lasers, podemos acessar tipos de estados emaranhados nos quais ninguém havia pensado antes.”
Construindo melhores sensores quânticos
Uma das aplicações mais promissoras da nova abordagem é a detecção quântica.
Em teoria, os estados quânticos emaranhados podem exibir diferenças extremamente pequenas nos campos magnéticos ou gravitacionais entre locais individuais. Contudo, os países em desenvolvimento são altamente sensíveis e resistentes ao ruído.
Os pesquisadores demonstraram que uma versão do sistema proposto contendo dois grupos de átomos pode ser usada para medir gradientes de campo. Quando dois conjuntos atômicos são colocados em locais diferentes, o estado quântico resultante reflete a diferença entre os campos magnéticos ou gravitacionais locais. Ao mesmo tempo, rejeita naturalmente o ruído de fundo que afeta ambos os locais igualmente.
“Você pode fazer duas coisas que normalmente são incompatíveis entre si: usar o emaranhamento para construir um sensor extremamente sensível, mas também ser robusto para uma quantidade arbitrariamente grande de ruído”, disse Clerk. “Normalmente, o emaranhamento é muito frágil. Esta abordagem tem uma resiliência incrível.”
Outra vantagem é que a informação armazenada nestes estados quânticos pode ser recuperada utilizando técnicas de medição padrão de Ramsey, eliminando a necessidade de técnicas de medição especializadas ou exóticas.
Aplicações além da detecção
Os pesquisadores também mostraram que a mesma plataforma pode gerar estados quânticos incomuns que há muito atraem o interesse dos físicos.
Um exemplo é o estado AKLT, um conhecido estado emaranhado de muitos corpos, introduzido pela primeira vez na década de 1980 para descrever materiais magnéticos incomuns. A equipe descobriu que sua configuração relativamente simples poderia estabilizar essa condição. Além de ajudar os cientistas a estudar sistemas magnéticos complexos, o estado AKLT também pode ter aplicações na computação quântica.
Próximos passos para pesquisa
O trabalho ainda é teórico, mas os pesquisadores já discutem possíveis testes experimentais com outros grupos.
Eles também estão explorando formas mais complexas de organizar os átomos no sistema e explorando toda a gama de estados quânticos que seu método pode criar.
“O facto de ingredientes tão simples poderem gerar estados quânticos tão complexos e úteis dá-nos esperança de que, mesmo antes de alcançarmos o sonho de um computador quântico universal, já possamos gerar estados quânticos que nos permitem fazer coisas que não poderíamos fazer num mundo puramente clássico”, disse Clerk.
Este material é baseado no trabalho apoiado pelos Centros Nacionais de Pesquisa de Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA, parte do Centro Q-NEXT.
