Pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, introduziram um novo projeto teórico para sistemas quânticos que eles chamam de “superátomos gigantes”. O conceito oferece uma nova maneira de armazenar, 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 além do alcance das máquinas convencionais. No entanto, o progresso foi limitado por um grande desafio conhecido como decoerência. Isso ocorre quando bits quânticos, ou qubits, perdem suas informações devido às interações com o ambiente. Mesmo pequenas quantidades de ruído eletromagnético podem perturbar o frágil estado quântico necessário para a computação.
“Os sistemas quânticos são extraordinariamente poderosos, mas extremamente frágeis. A chave para torná-los úteis é aprender como controlar as suas interações com o ambiente circundante, “disse Lei Du, pesquisador de pós-doutorado em tecnologia quântica aplicada em Chalmers.
Lei Du é o principal autor de um estudo que descreve este novo tipo de sistema quântico. O design é construído em torno do superátomo gigante, que combina vários recursos importantes. Esses sistemas reduzem a decoerência, são estáveis e consistem em múltiplos “átomos” interconectados que trabalham juntos como uma única unidade.
O que é um superátomo gigante?
Superátomos gigantes combinam dois conceitos anteriormente separados na física quântica: átomos gigantes e superátomos. Embora cada um tenha sido estudado de forma independente, 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, eles são projetados por cientistas (veja a caixa de informações abaixo).
Átomos gigantes e seus “ecos quânticos”
O conceito de átomos gigantes foi introduzido pela primeira vez por pesquisadores da Chalmers há uma década e agora é amplamente utilizado 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 múltiplos pontos fisicamente separados. Isto permite-lhe interagir com o seu ambiente em vários locais simultaneamente, ajudando a armazenar informações quânticas.
“As ondas que saem de um ponto de conexão podem viajar pelo ambiente e voltar para afetar os átomos em outro ponto – como ouvir o eco de sua própria voz antes de terminar de falar. Essa autointeração leva a efeitos quânticos altamente benéficos, reduzindo a decoerência e dando ao sistema uma forma de memória de interações passadas, “explica Anton Frisk Kökkum, professor associado de aplicações e pesquisa na Associação para Aplicações e Pesquisa. Coautor
Estendendo o emaranhamento ao longo da distância
Embora os átomos gigantes tenham melhorado a compreensão do comportamento quântico, eles tinham limitações no que diz respeito ao emaranhamento. O emaranhamento permite que vários qubits compartilhem um único estado quântico e atuem como um sistema coerente, 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 muitos átomos naturais que compartilham 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 comunicações quânticas, redes e sistemas de medição altamente sensíveis.
“Um superátomo gigante pode ser imaginado como vários átomos gigantes agindo juntos como uma única entidade, exibindo uma interação não local entre a luz e a matéria. Ele permite o armazenamento e o controle de informações quânticas de vários qubits dentro de uma única unidade, sem a necessidade de circuitos circundantes cada vez mais complexos”, explica Lei Du.
“Superátomos gigantes abrem a porta para uma nova gama de capacidades, dando-nos uma nova e poderosa caixa de ferramentas. Eles nos permitem controlar informações quânticas e criar emaranhados de maneiras que antes eram extremamente difíceis ou mesmo impossíveis”, disse Janine Spletstosser, 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 para a construção real desses sistemas. Seu design também pode ser integrado a outras tecnologias quânticas, servindo como um alicerce para conexão a uma variedade de plataformas quânticas.
“Atualmente há um grande interesse em sistemas híbridos, onde diferentes sistemas quânticos trabalham juntos, porque cada um tem a sua própria energia”, diz Anton Frisk Cockam. “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.”
Controle de fluxo de informações quânticas
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A pesquisa mostra que a forma como os superátomos gigantes interagem com a luz depende do seu estado quântico interno. A descoberta dá aos pesquisadores maior controle sobre como a informação quântica se move através de um sistema. Eles descrevem duas maneiras diferentes de combinar essas estruturas para alcançar resultados úteis.
Numa configuração, vários superátomos gigantes estão intimamente relacionados em um arranjo fixo. Isso permite que eles passem estados quânticos entre si sem decoerência, o que significa que nenhuma informação é perdida.
Em outra configuração, os átomos estão bem espaçados, mas conectados de maneira cuidadosamente controlada para que as ondas permaneçam sincronizadas. Isso torna possível direcionar sinais quânticos e distribuir o emaranhamento por longas distâncias.
Compreendendo átomos e superátomos gigantes
Superátomos e átomos gigantes são sistemas projetados que se comportam como átomos que ocorrem naturalmente.
Um superátomo é um sistema quântico composto por vários átomos naturais que compartilham um único estado quântico e respondem à luz como uma entidade única.
Por outro lado, um átomo gigante se conecta com ondas de luz ou som em vários pontos discretos do espaço. É chamado de “gigante” porque é maior que o comprimento de onda da luz com a qual interage.
Átomos gigantes definem níveis de energia e obedecem às leis da mecânica quântica, mas podem atingir milímetros de tamanho, tornando-os visíveis a olho nu. Através de ondas eletromagnéticas ou acústicas, eles podem se comunicar com o ambiente ao seu redor em vários locais ao mesmo tempo. Uma maneira de imaginar isso é como um único átomo conectado a uma onda em vários pontos distantes. Esta configuração incomum permite que o átomo seja afetado pelas ondas que gera.
