Lado escuro dos átomos cria nova rota para tecnologias quânticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/12/2022

A simetria está presente em toda a natureza - inclusive nos átomos.
[Imagem: Chalmers University of Technology]

Estado escuro dos átomos

Tirando proveito da própria simetria inerente da natureza, pesquisadores suecos encontraram uma maneira de controlar e se comunicar com o "lado escuro" dos átomos.

Isso cria uma nova rota para a construção de redes de computação quântica e sensores quânticos para tentar detectar a nunca encontrada matéria escura no Universo.

"A natureza gosta de simetrias e nós também. A base dos nossos experimentos é um truque de engenharia inovador, onde controlamos e fazemos uso das simetrias disponíveis em um sistema que, de outra forma, é muito difícil de domar," disse o professor Aamir Ali, da Universidade de Tecnologia Chalmers.

O que está envolvido aqui é a dificuldade de tornar os qubits dos computadores quânticos imunes aos ruídos que os fazem perder os dados muito rapidamente.

Uma possível rota para isso está no uso de átomos artificiais como qubits. Os átomos interagem naturalmente com a luz, absorvendo ou emitindo fótons. No entanto, conjuntos de dois ou mais átomos podem existir em estados particulares de superposição, denominados estados escuros, nos quais são completamente transparentes à luz, o que significa que não a emitem nem a absorvem.

Esses estados escuros têm grande potencial na tecnologia quântica porque, como não são afetados pelos fótons, são virtualmente imunes a influências externas. Infelizmente, por esta mesma razão - a dificuldade de mexer com eles -, controlar os estados escuros e usá-los para trocar informações não é uma tarefa fácil.

Esquema do qubit que explora a simetria dos estados de energia dos átomos.
[Imagem: Mohammed Ali Aamir et al. - 10.1103/PhysRevLett.129.123604]

Simetria dos átomos artificiais

Aamir Ali resolveu esse problema tirando proveito da simetria. Das asas das borboletas e dos flocos de neve aos menores componentes do nosso mundo físico, a natureza busca a simetria para criar equilíbrio e harmonia.

Isso também é verdade para os níveis de energia dos átomos, que só podem ocupar um conjunto de determinados níveis de energia. E cada um desses conjuntos inclui um estado escuro e um estado brilhante, em uma simetria perfeita.

A equipe construiu átomos artificiais usando um minúsculo pedaço de material supercondutor que mantém os níveis de carga e energia da mesma forma que os átomos reais. E, assim como os átomos reais, eles mudam de estado emitindo ou absorvendo luz em uma frequência específica.

Ali então acoplou dois desses átomos para criar um qubit. Os fótons - partículas de luz - para gravar e ler os qubits são enviados aos átomos através de dois guias de ondas, cada um deles acoplado separadamente a um dos estados simétricos, o estado claro e o estado brilhante - ou seja, o sistema permite interagir com os níveis de energia das duas simetrias diferentes disponíveis.

Devido à distribuição simétrica de energia nos átomos artificiais, um dos guias de onda será acoplado a um estado escuro e o outro ao seu estado brilhante complementar. Isso torna possível manipular e controlar cada um independentemente do outro.

O estado escuro e o estado brilhante dos átomos são controlados com precisão, podendo até serem postos em entrelaçamento.
[Imagem: Mohammed Ali Aamir et al. - 10.1103/PhysRevLett.129.123604]

Da computação quântica à matéria escura

Essa capacidade de controlar os estados escuros dos átomos apresenta uma nova abordagem para aplicações em tecnologias quânticas porque torna-se possível criar um entrelaçamento quântico entre o estado escuro e o estado brilhante do átomo, criando uma nova forma tanto de transmitir quanto de processar informações.

Além disso, a técnica também permite o desenvolvimento de sensores capazes de absorver fótons de micro-ondas de baixa energia. Um detector de fótons neste domínio pode contribuir para a detecção da matéria escura.

Os pesquisadores também vão utilizar seu aparato em pesquisas no campo da termodinâmica, para ver se as leis da mecânica quântica podem ser usadas para obter vantagens em motores ou baterias.

"Nós podemos projetar moléculas sintéticas com simetrias únicas, o que leva a novas maneiras de essas moléculas interagirem com a luz de micro-ondas. O conceito que demonstramos é elegante e poderoso ao mesmo tempo, com aplicações que vão desde computação quântica distribuída até fotodetecção de micro-ondas," concluiu Simone Gasparinetti, membro da equipe.

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