Morto ou vivo, giro para a esquerda ou giro para a direita - no mundo quântico, partículas como a famosa analogia do gato de Schrödinger podem ser todas essas coisas ao mesmo tempo. Uma equipe internacional, incluindo pesquisadores de várias universidades americanas importantes, junto com especialistas de Forschungszentrum Jülich, agora conseguiram transformar 20 bits quânticos emaranhados em tal estado de superposição. A geração de tais estados atômicos de Schrödinger é considerada um passo importante no desenvolvimento de computadores quânticos que poderiam superar os computadores clássicos na resolução de certas tarefas. Os resultados foram publicados em Ciência última sexta-feira.

Em 1935, o físico Erwin Schrödinger apresentou o experimento mental com o gato quântico, em que o gato é colocado em uma caixa junto com uma amostra radioativa, um detector e uma quantidade letal de veneno. Se o material radioativo decair, o detector dispara um alarme e o veneno é liberado. A característica especial é que de acordo com as regras da mecânica quântica, ao contrário da experiência cotidiana, não está claro se o gato está vivo ou morto. Seria os dois ao mesmo tempo até que um experimentador desse uma olhada. Um único estado só seria obtido a partir do momento desta observação.

Desde o início dos anos 1980, pesquisadores foram capazes de realizar essa superposição de estados quânticos experimentalmente no laboratório usando várias abordagens. "Contudo, esses estados de gato são extremamente sensíveis. Mesmo as menores interações térmicas com o meio ambiente fazem com que eles entrem em colapso, "explica Tommaso Calarco da Forschungszentrum Jülich. Entre outras coisas, ele desempenha um papel de liderança na principal iniciativa quântica da Europa, programa Quantum Flagship da UE. "Por esta razão, só é possível perceber significativamente menos bits quânticos em estados de gato de Schrödinger do que aqueles que existem independentemente uns dos outros ".

Dos últimos estados, os cientistas agora podem controlar mais de 50 em experimentos de laboratório. Contudo, esses bits quânticos, ou qubits para abreviar, não exibem as características especiais do gato de Schrödinger em contraste com os 20 qubits que a equipe de pesquisadores criou agora usando um simulador quântico programável, estabelecendo assim um novo registro que ainda é válido mesmo se outras abordagens físicas com fótons ópticos, íons aprisionados ou circuitos quânticos supercondutores são levados em consideração.

Especialistas de várias das instituições mais renomadas do mundo uniram forças para desenvolver o experimento. Além dos pesquisadores de Jülich, cientistas de várias universidades americanas importantes - Harvard, Berkeley, MIT e Caltech - bem como a Universidade Italiana de Pádua estavam envolvidos.

“Qubits no estado do gato são considerados extremamente importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas, "explica Jian Cui." O segredo da enorme eficiência e desempenho esperados dos futuros computadores quânticos está nesta superposição de estados, "diz o físico do Instituto Peter Grünberg em Jülich (PGI-8).

Os bits clássicos em um computador convencional sempre têm apenas um determinado valor, que é composto por 0 e 1, por exemplo. Portanto, esses valores só podem ser processados ​​bit a bit, um após o outro. Qubits, que têm vários estados simultaneamente devido ao princípio de superposição, pode armazenar e processar vários valores em paralelo em uma etapa. O número de qubits é crucial aqui. Você não vai longe com apenas um punhado de qubits. Mas com 20 qubits, o número de estados sobrepostos já ultrapassa um milhão. E 300 qubits podem armazenar mais números simultaneamente do que partículas no universo.

O novo resultado de 20 qubits agora chega um pouco mais perto desse valor, após o antigo recorde de 14 qubits permaneceu inalterado desde 2011. Para seu experimento, os pesquisadores usaram um simulador quântico programável baseado em matrizes de átomos de Rydberg. Nesta abordagem, átomos individuais, neste caso, átomos de rubídio, são capturados por feixes de laser e mantidos lado a lado em uma fileira. A técnica também é conhecida como pinça óptica. Um laser adicional excita os átomos até que eles atinjam o estado Rydberg, em que os elétrons estão localizados muito além do núcleo.

Este processo é bastante complicado e geralmente leva muito tempo, de modo que o delicado estado do gato é destruído antes mesmo de ser medido. O grupo em Jülich contribuiu com sua experiência em controle ótimo quântico para resolver esse problema. Ao desligar e ligar os lasers de forma inteligente na taxa certa, conseguiram uma agilidade no processo de preparação que tornou possível este novo disco.

"Praticamente inflamos alguns átomos a tal ponto que suas camadas atômicas se fundem com os átomos adjacentes para formar simultaneamente duas configurações opostas, ou seja, excitações ocupando todos os locais pares ou ímpares, "explica Jian Cui." Isso vai tão longe que as funções de onda se sobrepõem como na analogia do gato de Schrödinger e fomos capazes de criar a superposição das configurações opostas, que também é conhecido como estado de Greenberger-Horne-Zeilinger. "

Seus avanços na pesquisa quântica foram complementados pelos esforços de um grupo de pesquisa chinês, que também foi publicado na edição atual da " Ciência ". Usando circuitos quânticos supercondutores, os pesquisadores conseguiram criar 18 qubits no estado Greenberger-Horne-Zeilinger, que também é um novo recorde para esta abordagem experimental.