Muitas das tecnologias quânticas mais promissoras, incluindo sensores avançados e futuros computadores quânticos, baseiam-se num fenómeno chamado emaranhamento, no qual as partículas estão profundamente ligadas e influenciam-se umas às outras de formas que a física clássica não consegue explicar. Tradicionalmente, a criação de estados emaranhados complexos necessários para essas técnicas requer equipamentos complexos e sistemas experimentais cuidadosamente projetados.
Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) criaram agora uma abordagem mais simples. Sua nova abordagem teórica permite a geração e o controle de vários estados quânticos emaranhados usando ferramentas já comuns em muitos laboratórios de física quântica.
Este trabalho foi publicado em Revisão FísicaXpoderia ajudar a avançar na detecção quântica ultraprecisa e abrir novas oportunidades para explorar a física fundamental.
“Queríamos combinar ingredientes simples encontrados em muitas plataformas físicas de maneiras mínimas para obter algo interessante, complexo e poderoso”, disse Aashish Clerk, professor de engenharia molecular da Universidade de Chicago PME e autor sênior do novo estudo.
A pesquisa foi apoiada pelo Q-NEXT, Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA (DOE), liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do DOE.
Repensando os sistemas QED de cavidade
O método da equipe é baseado na eletrodinâmica quântica de cavidades, comumente conhecida como cavidade QED. Nestes experimentos, átomos ou outras partículas são colocados dentro de uma cavidade óptica, que consiste em 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 é sempre que estes sistemas têm muita simetria. Todos os átomos falam com a luz da mesma maneira”, disse Clark. “Isso limita o tipo de estados emaranhados que você pode obter.”
Em uma configuração típica de QED de cavidade, cada átomo tem um estado fundamental e um estado excitado separados por uma diferença de energia específica.
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 alterar as energias do estado excitado de diferentes grupos de átomos. Os átomos são organizados de modo que cada átomo esteja emparelhado com outro átomo com 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 manter o sistema controlável e previsível. Ao alterar quais átomos recebem transferências específicas de energia, os cientistas podem ajustar o sistema para produzir vários estados emaranhados sem alterar o hardware físico.
“Você liga esses lasers e espera, e em algum momento o sistema se estabelece em um estado quântico interessante e altamente emaranhado”, disse Anjun Chu, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Clark e primeiro autor do novo trabalho. “Simplesmente ajustando o laser, podemos obter uma variedade de estados emaranhados nos quais ninguém havia pensado antes.”
Construindo melhores sensores quânticos
Um dos usos mais promissores para este novo método é a detecção quântica.
Em teoria, os estados quânticos emaranhados poderiam detectar pequenas diferenças nos campos magnéticos ou gravitacionais entre diferentes locais. No entanto, os países em desenvolvimento que são altamente sensíveis e resistentes ao ruído continuam a ser um grande desafio.
Os pesquisadores demonstraram que uma versão do sistema proposto contendo dois conjuntos de átomos pode ser usada para medir gradientes de campo. Quando dois conjuntos atômicos são colocados em locais diferentes, os estados quânticos resultantes refletem as diferenças entre os campos magnéticos ou gravitacionais locais. Ao mesmo tempo, suprime naturalmente o ruído de fundo que afeta ambos os locais igualmente.
“Você pode fazer duas coisas que geralmente são incompatíveis entre si: usar o emaranhamento para construir um sensor extremamente sensível que também seja robusto para quantidades arbitrariamente grandes de ruído”, disse Clark. “Normalmente, o emaranhamento é muito frágil. Esta abordagem é surpreendentemente resiliente.”
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 exóticos.
Aplicações além da detecção
Os pesquisadores também mostraram que a mesma plataforma pode produzir estados quânticos incomuns que há muito intrigam os 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 esse estado. 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 ainda está em fase teórica, mas os pesquisadores já discutem possíveis testes experimentais com outros grupos.
Eles também estão trabalhando em maneiras mais sofisticadas de organizar os átomos dentro do sistema e explorando toda a gama de estados quânticos que sua abordagem pode produzir.
“O facto de estes ingredientes simples poderem produzir estados quânticos tão complexos e úteis dá-nos esperança de que, mesmo antes de realizarmos o sonho de um computador quântico universal universal, já possamos produzir estados quânticos que nos permitem fazer coisas que não podemos fazer no mundo puramente clássico”, disse Clark.
Este material é baseado em trabalho apoiado pelo Centro Nacional de Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia do Departamento de Energia dos EUA, parte do Centro Q-NEXT.
