Pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, apresentaram um novo projeto teórico para sistemas quânticos baseado no que chamam de “superátomos gigantes”. O conceito oferece uma nova maneira de proteger, controlar e compartilhar informações quânticas, aproximando potencialmente os cientistas da construção de computadores quânticos em grande escala.
Espera-se que os computadores quânticos transformem campos como a descoberta de medicamentos e a criptografia, resolvendo problemas muito além do alcance das máquinas convencionais. No entanto, o progresso foi limitado por um problema grave conhecido como decoerência. Isso acontece quando bits quânticos ou qubits perdem suas informações devido a interações com seu ambiente. Mesmo uma pequena quantidade de ruído eletromagnético pode perturbar os frágeis estados quânticos necessários para a computação.
“Os sistemas quânticos são extraordinariamente poderosos, mas também extremamente frágeis. A chave para torná-los úteis é aprender como controlar as suas interações com o ambiente”, diz Lei Du, estudante de doutoramento em tecnologia quântica aplicada na Chalmers.
Lei Du é o principal autor de um estudo que descreve este novo tipo de sistema quântico. O design é construído em torno de superátomos gigantes que combinam várias funções importantes. Esses sistemas reduzem a decoerência, permanecem estáveis e consistem em múltiplos “átomos” interconectados que funcionam juntos como uma única unidade.
O que são superátomos gigantes
Os superátomos gigantes reúnem duas ideias anteriormente distintas na física quântica: átomos gigantes e superátomos. Embora cada um tenha sido estudado separadamente, esta é a primeira vez que foram combinados em um único sistema. Essas estruturas se comportam como átomos, mas não são encontradas na natureza. Em vez disso, são desenvolvidos por cientistas (ver quadro informativo abaixo).
Átomos gigantes e seus “ecos quânticos”
A ideia de átomos gigantes foi introduzida pela primeira vez por pesquisadores da Chalmers há mais de uma década e agora é amplamente utilizada na área. Um átomo gigante geralmente é projetado como um qubit (que é a menor unidade de informação quântica). Ao contrário dos átomos comuns, ele se conecta a ondas luminosas ou sonoras em vários pontos fisicamente separados. Isto permite-lhe interagir com o seu ambiente em vários locais ao mesmo tempo, ajudando a armazenar informações quânticas.
“Ondas que saem de um ponto de junção podem viajar pelo ambiente e voltar para impactar um átomo em outro ponto – da mesma forma que você ouve o eco de sua própria voz antes de terminar de falar. Essa interação leva a efeitos quânticos muito úteis, reduz a decoerência e dá ao sistema uma forma de memória de interações passadas”, explica Anton Frisk Kokum, professor associado de física quântica aplicada em Chalmers e co-autor do estudo.
Estendendo o emaranhado à distância
Embora os átomos gigantes tenham melhorado a compreensão do comportamento quântico, eles tiveram limitações quando se trata de emaranhamento. O emaranhamento permite que vários qubits compartilhem um único estado quântico e atuem como um sistema coordenado, o que é essencial para computadores quânticos poderosos.
Para superar esta limitação, a equipe de pesquisa combinou átomos gigantes com o conceito de superátomos. Um superátomo consiste em vários átomos naturais que possuem o mesmo estado quântico e se comportam coletivamente como um átomo maior.
Espera-se que esta combinação facilite a criação de estados quânticos complexos necessários para comunicação quântica, redes e sistemas de medição altamente sensíveis.
“Um superátomo gigante pode ser imaginado como vários átomos gigantes trabalhando juntos como um só, demonstrando a interação não local entre luz e matéria. Isso permite que informações quânticas de vários qubits sejam armazenadas e controladas em um único bloco, sem a necessidade de circuitos circundantes cada vez mais complexos”, explica Lei Du.
“Os superátomos gigantes abrem a porta para possibilidades inteiramente novas, dando-nos um novo e poderoso conjunto de ferramentas. Eles nos permitem controlar a informação quântica e criar emaranhados de maneiras que antes eram extremamente difíceis ou mesmo impossíveis”, diz Janine Splettstosser, professora de Física Quântica Aplicada da Chalmers e co-autora do estudo.
Rumo a sistemas quânticos escaláveis e práticos
Este trabalho abre novas possibilidades para a construção de sistemas quânticos que sejam escaláveis e confiáveis. Os pesquisadores planejam passar da teoria à construção real desses sistemas. Seu design também pode ser integrado a outras tecnologias quânticas, servindo como um alicerce para conectar diferentes tipos de plataformas quânticas.
“Atualmente há muito interesse em abordagens híbridas nas quais diferentes sistemas quânticos trabalham juntos, porque cada um tem seus próprios pontos fortes”, diz Anton Frisk Kokum. “Nossa pesquisa mostra que o design inteligente pode reduzir a necessidade de hardware cada vez mais complexo, e superátomos gigantes nos aproximam da tecnologia quântica praticamente aplicável.”
Gestão do fluxo quântico de informações
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A pesquisa mostra que a forma como os superátomos gigantes interagem com a luz depende de seus estados quânticos internos. A descoberta dá aos pesquisadores maior controle sobre como a informação quântica se move através do sistema. Eles descrevem duas maneiras diferentes de conectar essas estruturas para obter resultados úteis.
Em uma configuração, vários superátomos gigantes estão fortemente ligados entre si em uma ordem específica. Isso permite que eles transmitam estados quânticos entre si sem decoerência, o que significa que nenhuma informação é perdida.
Noutra configuração, os átomos estão mais espaçados, mas ligados de uma forma cuidadosamente sintonizada para que as ondas permaneçam sincronizadas. Isso permite o roteamento de sinais quânticos e a distribuição do emaranhamento por longas distâncias.
Compreendendo átomos e superátomos gigantes
Superátomos e átomos gigantes são sistemas projetados que se comportam como átomos, não como naturais.
Um superátomo é um sistema quântico que consiste em vários átomos naturais que possuem um único estado quântico e respondem à luz como um todo.
Por outro lado, um átomo gigante acopla-se a ondas luminosas ou sonoras em vários pontos discretos do espaço. É chamado de “gigante” porque é maior que o comprimento de onda da luz com a qual interage.
Os átomos gigantes possuem níveis de energia específicos e obedecem às regras da mecânica quântica, mas podem atingir dimensões de até milímetros, tornando-os visíveis a olho nu. Utilizando ondas eletromagnéticas ou acústicas, eles podem interagir com o ambiente em vários locais ao mesmo tempo. Uma maneira de pensar nisso é como um único átomo ligado a uma onda em vários pontos distantes. Esta configuração incomum permite que o átomo seja influenciado pelas ondas que produz.
