Um time da Universidade de Chicago, nos Estados Unidos, desvendou um método surpreendentemente simples para criar estados quânticos poderosos que normalmente são difíceis de produzir. A pesquisa, publicada na revista Physical Review X, sugere que pequenos ajustes nos níveis de energia de átomos dentro de uma cavidade óptica podem gerar uma ampla variedade de estados altamente emaranhados.
O professor de engenharia molecular na UChicago PME, Aashish Clerk, e autor sênior do novo estudo, explicou: ‘Queríamos usar ingredientes simples encontrados em muitas plataformas físicas e juntá-los de forma minimalista para obter algo interessante, complexo e poderoso’.
A abordagem proposta é baseada na eletrodinâmica quântica de cavidade, comumente conhecida como QED de cavidade. Nesses experimentos, átomos ou outras partículas são colocados dentro de uma cavidade óptica, composta por dois espelhos que prendem a luz entre eles. As partículas então interagem com a luz confinada dentro da cavidade.
A limitação de muitos sistemas de 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 pode ser produzida é restrita. O desafio sempre foi que esses sistemas têm simetria demais. Todos os átomos se comunicam com a luz da mesma forma, o que realmente restringe o tipo de estados emaranhados que se obtém.
A equipe encontrou uma maneira direta de reduzir a simetria do sistema. Embora todos os átomos continuem sendo impulsionados pelo mesmo laser, lasers adicionais ou campos magnéticos são usados para deslocar as energias dos estados excitados de diferentes grupos de átomos. Os átomos são dispostos de modo que cada um seja pareado com outro átomo que tem um deslocamento de energia igual, mas oposto.
Essa modificação simples permite que os átomos se comportem de maneira diferente uns dos outros, preservando estrutura suficiente para que o sistema permaneça controlável e previsível. Alterando quais átomos recebem determinados deslocamentos de energia, os cientistas podem sintonizar o sistema para produzir uma variedade de estados emaranhados sem alterar o hardware físico.
Anjun Chu, pesquisador pós-doutoral no grupo de Clerk e primeiro autor do novo trabalho, destacou: ‘Você liga esses lasers e espera, e em algum momento o sistema estabiliza em um estado quântico interessante e altamente emaranhado. Ajustando simplesmente os lasers, podemos acessar tipos de estados emaranhados que ninguém havia pensado antes’.
Uma das aplicações mais promissoras para a nova abordagem é a sensibilidade quântica. Em teoria, estados quânticos emaranhados podem detectar diferenças extremamente pequenas em campos magnéticos ou gravitacionais entre locais separados. No entanto, desenvolver estados que sejam tanto altamente sensíveis quanto resistentes ao ruído tem sido um grande desafio.
A pesquisa demonstrou que uma versão do sistema proposto contendo dois grupos de átomos pode ser usada para medir gradientes de campo. Quando os dois conjuntos atômicos são colocados em locais diferentes, o estado quântico resultante reflete a diferença entre os campos magnéticos ou gravitacionais locais. Ao mesmo tempo, ele rejeita naturalmente o ruído de fundo que afeta ambos os locais igualmente.
‘Você consegue fazer duas coisas que normalmente não são compatíveis: usar o emaranhamento para construir um sensor exquisitamente sensível, mas também ter resistência a quantidades arbitrariamente grandes de ruído’, disse Clerk. ‘Normalmente, o emaranhamento é muito frágil. Esta abordagem tem uma incrível resiliência’.
Outra vantagem é que as informações armazenadas nesses estados quânticos podem ser extraídas usando técnicas de medição de Ramsey padrão, eliminando a necessidade de métodos de medição especializados ou exóticos.
Os pesquisadores também mostraram que a mesma plataforma pode gerar estados quânticos incomuns que vêm atraindo o interesse de físicos há décadas. Um exemplo é o estado AKLT, um estado emaranhado bem conhecido introduzido na década de 1980 para descrever materiais magnéticos incomuns. A equipe encontrou que seu setup relativamente simples pode estabilizar este estado. Além de ajudar os cientistas a estudar sistemas magnéticos complexos, o estado AKLT também pode ter aplicações em computação quântica.
Embora o trabalho ainda seja teórico, os pesquisadores já estão discutindo possíveis testes experimentais com outros grupos. Eles também estão investigando maneiras mais sofisticadas de arranjar átomos dentro do sistema e explorando a gama completa de estados quânticos que seu método pode ser capaz de produzir.
‘O fato de que ingredientes tão simples podem gerar estados quânticos tão complexos e úteis nos dá esperança de que, mesmo antes de alcançarmos o sonho de um computador quântico geral e multiuso, já podemos gerar estados quânticos que nos permitam fazer coisas que não poderíamos fazer em um mundo puramente clássico’, afirmou Clerk.
De acordo com ScienceDaily, o trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) através do centro de pesquisa Q-NEXT, liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do DOE.