Pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, introduziram um novo projeto teórico de sistemas quânticos baseado no que chamam de “superátomos gigantes”. Este conceito fornece 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 que as máquinas tradicionais não conseguem. No entanto, o progresso foi limitado por um desafio significativo denominado decoerência. Isso ocorre quando um bit quântico, ou qubit, perde informações devido a interações com o ambiente circundante. Mesmo pequenas quantidades de ruído eletromagnético podem perturbar estados quânticos frágeis necessários para a computação.
“Os sistemas quânticos são extremamente poderosos, mas também extremamente frágeis. A chave para fazê-los funcionar é aprender como controlar as suas interações com o ambiente circundante, “disse Du Lei, pesquisador de pós-doutorado em tecnologias quânticas aplicadas na Chalmers University of Technology.
Du Lei é o principal autor de um estudo que descreve este novo tipo de sistema quântico. O design é construído em torno de um superátomo gigante e combina vários recursos importantes. Esses sistemas reduzem a decoerência, permanecem estáveis e são compostos de múltiplos “átomos” interconectados que funcionam juntos como uma unidade.
O que é um superátomo gigante?
Os superátomos gigantes reúnem dois conceitos anteriormente separados na física quântica: átomos gigantes e superátomos. Embora cada um tenha sido estudado individualmente, esta é a primeira vez que foram combinados em um único sistema. Essas estruturas se comportam como átomos, mas não ocorrem na natureza. Em vez disso, foram concebidos por cientistas (ver quadro de factos abaixo).
Átomos gigantes e seus ‘ecos quânticos’
O conceito de átomos gigantes foi proposto pela primeira vez por pesquisadores da Universidade Chalmers há mais de uma década e agora é amplamente utilizado na área. Átomos gigantes são frequentemente projetados como qubits, as menores unidades de informação quântica. Ao contrário dos átomos comuns, ele está conectado a ondas luminosas ou sonoras em vários pontos fisicamente separados. Isto permite-lhe interagir com o ambiente em vários locais simultaneamente, ajudando-o a preservar informações quânticas.
“Uma onda que sai de um ponto de conexão pode viajar pelo ambiente e retornar para influenciar átomos em outro ponto – semelhante a ouvir o eco de sua própria voz antes de terminar de falar. Essa autointeração pode produzir efeitos quânticos muito benéficos, reduzindo a decoerência e fornecendo ao sistema uma forma de memória de interações passadas, “explica Anton Frisk Kockum, professor associado de física quântica aplicada na Chalmers University of Technology e co-autor do estudo.
Estendendo o emaranhamento ao longo da distância
Embora os átomos gigantes tenham melhorado a compreensão do comportamento quântico, eles ainda apresentam 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 crucial para computadores quânticos poderosos.
Para superar esta limitação, a equipe combinou os conceitos de átomos gigantes com superátomos. Os superátomos são compostos de vários átomos naturais que compartilham o mesmo estado quântico e se comportam juntos como um átomo maior.
Espera-se que esta combinação facilite a criação dos estados quânticos complexos necessários para comunicações quânticas, redes e sistemas de medição altamente sensíveis.
“Um superátomo gigante pode ser imaginado como vários átomos gigantes trabalhando juntos como uma entidade, exibindo interações não locais entre luz e matéria. Isso permite que informações quânticas de vários qubits sejam armazenadas e controladas dentro de uma única unidade, sem a necessidade de circuitos circundantes cada vez mais complexos”, explicou Dulay.
“Superátomos gigantes abrem a porta para capacidades inteiramente novas e nos fornecem 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 Splettstoesser, professora de física quântica aplicada na Chalmers University of Technology e co-autora do estudo.
Rumo a sistemas quânticos escaláveis e práticos
Este trabalho cria novas possibilidades para a construção de sistemas quânticos escaláveis e confiáveis. Os pesquisadores planejam passar da teoria para a construção real desses sistemas. Os seus designs também poderiam ser integrados com outras tecnologias quânticas, servindo como blocos de construção que ligam diferentes tipos de plataformas quânticas.
“Atualmente há muito interesse em abordagens híbridas, nas quais diferentes sistemas quânticos trabalham juntos, uma vez que cada sistema tem suas próprias vantagens”, diz Anton Frisk Kockum. “Nossa pesquisa mostra que o design inteligente pode reduzir a necessidade de hardware cada vez mais complexo, enquanto superátomos gigantes nos aproximam um passo das tecnologias quânticas práticas”.
Controlando o fluxo de informações quânticas
Mais: Maneiras de proteger, controlar e distribuir informações quânticas
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 alcançar resultados úteis.
Num cenário, vários superátomos gigantes estão intimamente ligados num arranjo específico. Isso permite que eles transfiram estados quânticos entre si sem decoerência, o que significa que nenhuma informação é perdida.
Em outro cenário, os átomos estão mais distantes, mas conectados de maneira cuidadosamente ajustada para que as ondas permaneçam sincronizadas. Isso torna possível canalizar sinais quânticos e distribuir o emaranhamento por longas distâncias.
Aprenda sobre átomos gigantes e superátomos
Superátomos e átomos gigantes são sistemas projetados que se comportam como átomos, em vez de 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 está conectado a ondas luminosas ou sonoras em vários pontos diferentes 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 bem definidos e seguem as regras da mecânica quântica, mas suas dimensões podem chegar a milímetros, tornando-os visíveis a olho nu. Através de ondas eletromagnéticas ou sonoras, eles podem interagir com o ambiente em vários locais ao mesmo tempo. Uma maneira de descrever esse fenômeno é considerá-lo como um único átomo conectado a ondas em vários pontos distantes. Esta configuração incomum permite que os átomos sejam afetados pelas ondas que geram.
