Muitas tecnologias quânticas promissoras, incluindo sensores avançados e futuros computadores quânticos, baseiam-se num fenómeno conhecido como emaranhamento, onde as partículas ficam profundamente ligadas e influenciam-se umas às outras de formas que não podem ser explicadas pela física clássica. A geração dos estados complexos exigidos por 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 agora uma abordagem mais simples. Sua nova abordagem teórica pode criar e controlar uma ampla gama de estados quânticos usando ferramentas já comuns em muitos laboratórios de física quântica.
Obras publicadas Exame físico xPoderia ajudar a avançar na detecção quântica ultraprecisa e abrir novas oportunidades para explorar a física fundamental.
“Queríamos combinar elementos comuns que você encontra em muitas plataformas físicas e combiná-los de forma mínima para obter algo interessante, complexo e poderoso”, disse Ashish Clark, professor de engenharia molecular na UChicago PME e autor sênior do novo estudo.
A pesquisa foi apoiada pelo Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA (DOE), liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do DOE.
Revisitando o sistema QED de cavidade
O método da equipe é baseado na eletrodinâmica quântica de cavidades, comumente conhecida como cavidade QED. Nestas experiências, átomos ou outras partículas são colocados dentro de uma cavidade óptica, que contém 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 produzidos é limitada.
“O desafio sempre foi que esses sistemas têm uma simetria muito alta. Todos os átomos conversam com a luz da mesma maneira”, disse Clark. “Isso realmente limita o tipo de condições de coleta que você obtém.”
Em uma configuração típica de QED de cavidade, cada átomo tem um estado fundamental e um estado excitado separados por uma diferença de energia fixa.
Os pesquisadores encontraram uma maneira simples de reduzir a simetria do sistema. Embora todos os átomos sejam movidos pelo mesmo laser, lasers ou campos magnéticos adicionais são usados para mudar a energia dos estados excitados de diferentes grupos de átomos. Os átomos são organizados de modo que cada um esteja emparelhado com outro átomo com um deslocamento de energia igual, mas oposto.
Esta simples mudança permite que os átomos se comportem de maneira diferente uns dos outros, preservando ao mesmo tempo estrutura suficiente para que o sistema permaneça controlável e previsível. Ao alterar quais átomos exercem alterações específicas de energia, os cientistas podem ajustar o sistema para criar diferentes tipos de estados emaranhados sem alterar o hardware físico.
“Você liga esses lasers e espera, e em algum momento o sistema se estabiliza em um estado quântico interessante e altamente concentrado”, disse Anjun Chu, pesquisador de pós-doutorado no grupo Clark e primeiro autor do novo trabalho. “Apenas ajustando os lasers, podemos acessar tipos de emaranhamento que ninguém havia pensado antes”.
Desenvolvendo sensores quânticos avançados
Um dos usos mais promissores do novo método é a detecção quântica.
Em teoria, os estados quânticos emaranhados poderiam detectar diferenças extremamente pequenas nos campos magnéticos ou campos gravitacionais entre locais individuais. No entanto, os estados em desenvolvimento que são altamente sensíveis e resistentes ao ruído representam um grande desafio.
Os pesquisadores mostraram que uma versão do sistema proposto, na qual existem dois grupos de átomos, pode ser usada para medir gradientes de campo. Quando dois emaranhados atômicos são colocados em locais diferentes, o estado quântico resultante reflete a diferença no campo magnético ou gravitacional local. Ao mesmo tempo, rejeita naturalmente o ruído de fundo que afeta igualmente ambas as posições.
“Você é capaz de fazer duas coisas que normalmente não são compatíveis entre si: usar o emaranhamento para criar um sensor que é incrivelmente sensível, mas também robusto a muito ruído”, disse Clark. “Normalmente, o emaranhamento é muito frágil. Este método tem uma resiliência surpreendente.”
Outra vantagem é que as informações armazenadas nesses estados quânticos podem ser extraídas usando técnicas de medição padrão de Ramsey, eliminando a necessidade de métodos de medição especializados ou externos.
Aplicações além da detecção
Os pesquisadores também mostraram que a mesma plataforma pode criar estados quânticos incomuns que há muito tempo 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 anômalos. A equipe descobriu que sua configuração relativamente simples poderia estabilizar a situação. Além de ajudar os cientistas a estudar sistemas magnéticos complexos, os estados do AKLT também podem ter aplicações na computação quântica.
Próximos passos para pesquisa
O trabalho permanece teórico por enquanto, mas os pesquisadores já discutem possíveis testes experimentais com outros grupos.
Eles estão investigando maneiras mais sofisticadas de organizar os átomos dentro do sistema e explorando toda a gama de estados quânticos que seu método pode produzir.
“O fato de que materiais tão simples possam criar estados quânticos tão complexos e úteis nos dá esperança de que, antes de alcançarmos o sonho de um computador quântico simples e multifuncional, já possamos criar estados quânticos que nos permitam fazer coisas que não poderíamos fazer no mundo puramente clássico”, disse Clark.
Este material é baseado no trabalho apoiado pelo Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA, como parte do Centro Q-NEXT.
