Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/06/2021
Visualização artística do experimento.
[Imagem: Enrique Sahagún/Scixel]
Os sistemas quânticos são considerados extremamente frágeis. Mesmo as menores interações com o ambiente podem resultar na perda de propriedades ou informações, o que inclui os dados guardados nos qubits dos computadores quânticos.
Mas será que precisa mesmo ser assim? Talvez não, conforme acaba de demonstrar um surpreendente experimento feito por pesquisadores da Alemanha e dos Países Baixos.
O experimento mostra um sistema quântico, consistindo de dois átomos acoplados - conversando entre si, por assim dizer - que se comporta (o sistema) de maneira surpreendentemente estável, não perdendo os dados nem sob um bombardeio intenso de elétrons.
Se puder ser ampliado, o experimento fornece uma indicação de que estados quânticos especiais podem ser criados e mantidos em um computador quântico mais facilmente do que se pensava.
Isto porque os dois átomos acoplados trocam informações livremente, alternando entre diferentes estados, com tudo sendo acompanhado em tempo real. Normalmente, apenas o fato de medir um sistema quântico faz com que ele perca as informações - por exemplo, porque os múltiplos estados possíveis de uma partícula (sua função de onda) colapsam para revelar o valor medido.
Em grande escala, esse tipo de troca de informações entre átomos pode ter implicações de grande alcance, uma vez que várias tecnologias quânticas são baseadas nele - um exemplo clássico é a supercondutividade, o efeito ainda não totalmente compreendido no qual alguns materiais perdem toda a resistividade elétrica abaixo de uma temperatura crítica.
A superposição é o fenômeno segundo o qual um qubit de um computador quântico pode conter mais de um dado ao mesmo tempo - é ele também que está na base do curioso experimento mental conhecido como gato de Schrodinger.
Para observar esse fenômeno quântico, Lukas Veldman e sua equipe escolheram uma forma bastante direta: Usando um microscópio de tunelamento de varredura, eles colocaram dois átomos de titânio próximos um do outro, a uma distância de pouco mais de um nanômetro - um milionésimo de milímetro. À distância, os átomos são capazes de sentir o magnetismo (spin) um do outro, de forma que, se você inverter um dos dois spins, eles "começam a conversar" imediatamente, um afetando o estado do outro.
Então, os pesquisadores tentaram algo totalmente não ortodoxo em comparação com os cuidados que se tem normalmente nesses casos: Eles inverteram rapidamente o spin de um dos dois átomos com disparos repetidos de elétrons.
Para sua surpresa, essa abordagem brutal resultou em uma interação quântica precisa e tranquila entre os átomos, sem nenhuma perda de informação, indo muito além da chamada "medição fraca".
"Mas sempre presumimos que, durante esse processo, a delicada informação quântica - a chamada coerência - era perdida. Afinal, os elétrons que você envia são não coerentes: A história de cada elétron antes da colisão é ligeiramente diferente e esse caos é transferido para o spin do átomo, destruindo qualquer coerência," comentou o professor Alexander Otte.
Juntamente com o efeito do observador, a destruição dos dados quânticos pela medição é um dos elementos mais conhecidos na mecânica quântica.
[Imagem: Lukas M. Veldman et al. - 10.1126/science.abg8223]
O fato de que agora esse pressuposto da perda de informações pela medição parece não ser verdade está sendo motivo de bastante debate. Aparentemente, cada elétron aleatório, independentemente de seu passado, pode iniciar uma superposição, uma combinação específica de estados quânticos elementares que é totalmente conhecido e que está na base de quase todas as formas de tecnologia quântica.
O aspecto de que esses elétrons ainda estão conectados ao seu ambiente por meio de sua história é obviamente irrelevante: O que está em jogo aqui é a violação de um princípio da física quântica, segundo o qual toda medição destrói irremediavelmente a superposição dos estados quânticos - é bom lembrar que também há quem questione a chamada influência do observador.
"O ponto crucial é que depende da perspectiva," argumentou o professor Markus Ternes, membro da equipe. "O elétron inverte o spin de um átomo fazendo com que ele aponte, digamos, para a esquerda. Você poderia ver isso como uma medição, apagando toda a memória quântica. Mas, do ponto de vista do sistema combinado, que compreende os dois átomos, a situação resultante não é tão mundana. Para os dois átomos em conjunto, o novo estado constitui uma superposição perfeita, permitindo a troca de informações entre eles. O que é crucial para que isso aconteça é que ambos os spins se tornam emaranhados, um estado quântico particular em que compartilham mais informações uns sobre os outros do que é classicamente possível."
A descoberta pode ter consequências de longo alcance para o desenvolvimento dos computadores quânticos, cuja função é baseada justamente no entrelaçamento (ou emaranhamento) e na superposição de estados quânticos. Se é mesmo possível ler um estado quântico sem destruí-lo, isso viabilizaria a construção de processadores quânticos muito mais robustos.
A equipe, contudo, reconhece que seu experimento é apenas um ponto de partida: "Aqui usamos dois átomos, mas o que acontece se você usar três? Ou dez, ou mil? Ninguém pode prever isso, porque o poder de computação para simular tais números não é suficiente," disse Veldman.
Sem possibilidade de simulação por supercomputadores, e antes que os simuladores quânticos fiquem prontos, o caminho então será ir fazendo novos experimentos, acrescentando um átomo de cada vez.
Artigo: Free coherent evolution of a coupled atomic spin system initialized by electron scattering
Autores: Lukas M. Veldman, Laetitia Farinacci, Rasa Rejali, Rik Broekhoven, Jérémie Gobeil, David Coffey, Markus Ternes, Alexander F. Otte