Físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriram uma maneira de ligar um grupo de propriedades mecânicas quânticas de átomos entre si muito mais rapidamente do que é atualmente possível, potencialmente fornecendo uma ferramenta para aplicações de detecção de alta precisão e computadores quânticos. O NIST solicitou uma patente sobre o método, que é detalhado em um novo artigo em Cartas de revisão física .

O método, que ainda não foi demonstrado experimentalmente, essencialmente, aceleraria o processo de emaranhamento quântico no qual as propriedades de múltiplas partículas tornam-se interconectadas umas com as outras. O emaranhamento se propagaria através de um grupo de átomos em muito menos tempo, permitindo que os cientistas construam um sistema emaranhado exponencialmente mais rápido do que é comum hoje.

Matrizes de átomos emaranhados suspensos em feixes de luz laser, conhecidas como redes ópticas, são uma abordagem para a criação de centros lógicos de protótipos de computadores quânticos, mas um estado emaranhado é difícil de manter mais do que brevemente. Aplicar o método a essas matrizes poderia dar aos cientistas um tempo precioso para fazer mais com essas matrizes de átomos antes que o emaranhamento se perca em um processo conhecido como decoerência.

O método tira proveito de uma relação física entre os átomos chamada interação dipolar, que permite que os átomos influenciem uns aos outros em distâncias maiores do que anteriormente possível. Alexey Gorshkov, da equipe de pesquisa, compara isso ao compartilhamento de bolas de tênis entre um grupo de pessoas. Embora os métodos anteriores essencialmente permitissem que as pessoas passassem bolas de tênis apenas para uma pessoa ao lado delas, a nova abordagem permitiria que um indivíduo os jogasse para as pessoas do outro lado da sala.

"São essas interações dipolares de longo alcance em 3-D que permitem criar emaranhamento muito mais rápido do que em sistemas com interações de curto alcance, "disse Gorshkov, um físico teórico no NIST e no Joint Center for Quantum Information and Computer Science e no Joint Quantum Institute, que são colaborações entre o NIST e a Universidade de Maryland. "Obviamente, se você pode jogar coisas diretamente nas pessoas que estão longe, você pode espalhar os objetos mais rápido. "

A aplicação da técnica se concentraria em ajustar o tempo dos pulsos de luz laser, ligar e desligar os lasers em padrões e ritmos específicos para transformar rapidamente os átomos suspensos em um sistema emaranhado coerente.

A abordagem também pode encontrar aplicação em sensores, que pode explorar o emaranhamento para alcançar uma sensibilidade muito maior do que os sistemas clássicos. Embora a detecção quântica aprimorada por emaranhamento seja um campo jovem, pode permitir a digitalização de alta resolução de pequenos objetos, como distinguir pequenas diferenças de temperatura entre as partes de uma célula viva individual ou realizar imagens magnéticas de seu interior.

Gorshkov disse que o método se baseia em dois estudos da década de 1990, nos quais diferentes pesquisadores do NIST consideraram a possibilidade de usar um grande número de objetos minúsculos - como um grupo de átomos - como sensores. Os átomos podem medir as propriedades de um campo magnético próximo, por exemplo, porque o campo mudaria os níveis de energia de seus elétrons. Esses esforços anteriores mostraram que a incerteza nessas medições seria vantajosamente menor se os átomos estivessem todos emaranhados, em vez de apenas um monte de objetos independentes que por acaso estavam próximos um do outro.

"A incerteza é a chave aqui, "disse Gorshkov." Você quer essa incerteza o mais baixo possível. Se os átomos estão emaranhados, você tem menos incerteza sobre a magnitude desse campo magnético. "

Colocar os átomos em um estado emaranhado mais rapidamente seria uma vantagem potencial em qualquer aplicação prática, até porque o emaranhamento pode ser passageiro.

Quando um grupo de átomos está emaranhado, o estado quântico de cada um está ligado aos demais de forma que todo o sistema possui um único estado quântico. Essa conexão pode existir mesmo se os átomos estiverem separados e completamente isolados uns dos outros (dando origem à famosa descrição de Einstein como "ação fantasmagórica à distância"), mas o emaranhamento também é uma condição bastante frágil. A dificuldade de mantê-lo entre um grande número de átomos retardou o desenvolvimento de tecnologias baseadas em emaranhamento, como computadores quânticos.

"Estados emaranhados tendem a descoerir e voltar a ser um bando de átomos independentes comuns, "Gorshkov disse." As pessoas sabiam como criar emaranhamento, mas procuramos uma maneira de fazer isso mais rápido. "

Se o método puder ser demonstrado experimentalmente, poderia dar ao processador de um computador quântico tempo adicional para que ele pudesse superar a decoerência, que ameaça fazer um cálculo falhar antes que os qubits possam terminar seu trabalho. Também reduziria a incerteza se usado em aplicações de detecção.

“Achamos que é uma forma prática de aumentar a velocidade de emaranhamento, "Gorshkov disse." Foi legal o suficiente para patentear, portanto, esperamos que seja comercialmente útil para alguém. "