Físicos domam a decoerência e abrem caminho para computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/07/2011

A decoerência quântica é um fenômeno que pode fazer uma ponte entre o mundo regido pela mecânica quântica e o mundo regido pela mecânica clássica.
[Imagem: Till Jahnke/University Frankfurt]

Superposição, entrelaçamento e decoerência

No futuro, estão os computadores quânticos. Entre nós e eles, entre outros obstáculos, está um fenômeno chamado decoerência.

Os computadores quânticos não terão bits, terão qubits.

Um bit quântico tem a estranha capacidade de guardar um 0 e um 1 ao mesmo tempo - é isto que lhes permitirá fazer cálculos a uma velocidade que fará os supercomputadores de hoje parecerem ábacos.

A mecânica quântica estabelece que a matéria pode estar em mais de um estado físico ao mesmo tempo - pense, por exemplo, em uma "moeda quântica", que seria capaz de dar cara e coroa ao mesmo tempo.

Esse estado "misto", chamado de estado de superposição, é bem conhecido dos físicos, e funciona muito bem em objetos pequenos - elétrons, por exemplo.

Mas sistemas físicos maiores e mais complexos - qubits, por exemplo - parecem estar em um estado físico consistente porque interagem e se "entrelaçam" com outros objetos em seu ambiente.

Este entrelaçamento - há quem prefira emaranhamento - faz com que esses objetos mais complexos "decaiam" para um único estado - cara ou coroa, por exemplo. É este processo de quebra da "mágica quântica" que os físicos chamam de decoerência.

A decoerência é uma espécie e ruído, ou interferência, atrapalhando as sutis inter-relações entre as partículas quânticas. Quando ela entra em cena, a partícula que estava no ponto A e no ponto B ao mesmo tempo, subitamente passa a estar no ponto A ou no ponto B.

Ora, eliminada a superposição, cai por terra também o promissor potencial dos computadores quânticos.

A decoerência é uma espécie e ruído, ou interferência, atrapalhando as sutis interrelações entre as partículas quânticas.
[Imagem: QNL/Berkeley]

Controlando a decoerência

Agora, pela primeira vez, um grupo de físicos conseguiu domar a decoerência em um sistema com muitas moléculas - um sistema quântico complexo, como os usados nos primeiros experimentos de computação quântica.

"Pela primeira vez fomos capazes de prever e controlar todos os mecanismos ambientais da decoerência em um sistema muito complexo, neste caso uma grande molécula magnética chamada 'molécula de ferro-8'," explicou Phil Stamp, físico da Universidade da Colúmbia Britânica, no Canadá.

A molécula de ferro-8 é um cristal magnético individual, algo como um ímã molecular. Como são puras, essas moléculas ficam praticamente imunes à decoerência externa. Desta forma, os cientistas puderam trabalhar detalhadamente com a decoerência interna, que faz a superposição quântica colapsar "de dentro para fora", por assim dizer.

Os pesquisadores calcularam todas as fontes de decoerência em seu experimento como uma função da temperatura, do campo magnético e pela concentração nuclear isotópica.

Com esses dados, eles identificaram as condições ótimas para operar os qubits, reduzindo a decoerência em aproximadamente 1.000 vezes.

A molécula de ferro-8 é um cristal magnético individual, algo como um ímã molecular.
[Imagem: UBC]

Hardware da computação quântica

"Nossa teoria também prevê que poderemos suprimir o decoerência, e levar a taxa de decoerência no experimento a níveis muito abaixo do limiar necessário para o processamento de informação quântica, através da aplicação de fortes campos magnéticos," afirmou.

No experimento, os pesquisadores prepararam uma série cristalina de moléculas de ferro-8 em uma superposição quântica, onde a magnetização líquida de cada molécula foi simultaneamente orientada para cima e para baixo.

O decaimento dessa superposição, causado pela decoerência, foi então observado no tempo - e a decadência foi incrivelmente lenta, comportando-se exatamente como a nova teoria prevê.

O resultado experimental são qubits que permanecem intactos por até 500 microssegundos, uma "eternidade" em termos quânticos - imagine que as memórias eletrônicas atuais operam na faixa dos nanossegundos.

"As moléculas magnéticas agora parecem ter um sério potencial como candidatas para o hardware da computação quântica," disse Susumu Takahashi, coautor do estudo.

Big Bang

Mas o estudo tem também um largo alcance também na física fundamental, para o entendimento do mundo conforme viajamos da escala atômica para a escala humana, e daí até a escala cósmica.

"A decoerência ajuda a unir o universo quântico dos átomos e o universo clássico dos objetos cotidianos com os quais interagimos," explicou Stamp. "Nossa capacidade de entender tudo, do átomo ao Big Bang, depende do nosso entendimento da decoerência, e os avanços na computação quântica dependem da nossa capacidade de controlá-la."

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