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Pesquisadores do Centro de Informação Quântica e Biologia Quântica da Universidade de Osaka usaram íons aprisionados para demonstrar a disseminação de quanta vibracional como parte de um passeio aleatório quântico. Este trabalho depende de seu controle requintado de íons individuais usando lasers, e pode levar a novas simulações quânticas de sistemas biológicos.
Este é um jogo simples que você pode jogar com um grupo de amigos. Todos se alinham ombro a ombro, e então cada pessoa joga uma moeda para decidir se dá um passo para frente ou para trás. Depois de algumas rodadas de viradas, você descobrirá que sua linha limpa terá se espalhado aleatoriamente. Embora este jogo pareça muito simplista, os cientistas descobriram que esses "passeios aleatórios" são incrivelmente úteis para explicar diversos fenômenos, desde a difusão molecular até problemas de estatística e probabilidade.
Entre as características muito estranhas da mecânica quântica - as leis da física que governam o comportamento de pequenos objetos como átomos individuais - está a surpreendente mistura de aleatoriedade e previsibilidade. Em particular, enquanto a probabilidade de encontrar uma partícula em um determinado local se espalha de forma previsível ao longo do tempo, como ondulações na lagoa, quando você realmente faz uma medição, existe uma incerteza inerente. Isso torna os passeios aleatórios quânticos fundamentalmente diferentes de suas contrapartes convencionais. Ao contrário das moléculas de gás que se espalham em uma sala, as ondas de um passeio aleatório quântico podem interferir em si mesmo, criando um padrão de oscilação distinto.
Primeiro, um fônon é preparado no local do íon 2 com uma luz iluminante. A vibração se propaga entre os quatro íons devido à interação de Coulomb entre eles. Depois de um certo tempo (que variou de 0 a 0,01 segundos), a probabilidade de encontrar o fônon em cada íon foi medida com outro feixe de luz. A probabilidade mostra um padrão complexo, que corresponde precisamente às expectativas teóricas. Crédito:Universidade de Osaka
Os cientistas da Universidade de Osaka começaram criando um cristal artificial prendendo uma fileira de quatro íons de cálcio com lasers. Os íons ainda podem influenciar uns aos outros com sua carga elétrica. Então, a equipe mostrou que eles podiam fazer um íon vibrar com um laser separado sobre ele.
Esta vibração mínima possível, chamado de phonon, agia como um pacote de energia que poderia ser passado para um íon vizinho. Como o primeiro autor Masaya Tamura explica, "Ao empregar a capacidade de preparar e observar um fônon localizado, sua propagação em um cristal linear de quatro íons pode ser observada com resolução de um único local. "Esperando vários períodos de tempo de até 10 milissegundos, as localizações dos fonons medidos corresponderam às previsões teóricas.
"Nosso sistema usando fônons oferece uma plataforma para realizar simulações quânticas para estudar questões abertas em química e biologia, "diz o autor sênior Kenji Toyoda." Por exemplo, foi hipotetizado que a incrível eficiência de 95% da fotossíntese depende, pelo menos em parte, no fato de que passeios aleatórios quânticos agem de forma diferente em comparação com a aleatoriedade clássica. O sistema mostrado aqui pode ser capaz de resolver essas e outras questões importantes. "
