Quando os átomos ficam extremamente próximos, eles desenvolvem interações intrigantes que podem ser aproveitadas para criar novas gerações de computação e outras tecnologias. Essas interações no reino da física quântica têm se mostrado difíceis de estudar experimentalmente devido às limitações básicas dos microscópios ópticos.

Agora uma equipe de pesquisadores de Princeton, liderado por Jeff Thompson, um professor assistente de engenharia elétrica, desenvolveu uma nova maneira de controlar e medir átomos que estão tão próximos que nenhuma lente óptica pode distingui-los.

Descrito em artigo publicado em 30 de outubro na revista Ciência , o método deles excita átomos de érbio espaçados em um cristal usando um laser afinado em um circuito óptico em escala nanométrica. Os pesquisadores tiram vantagem do fato de que cada átomo responde a frequências ligeiramente diferentes, ou cores, de luz laser, permitindo que os pesquisadores resolvam e controlem vários átomos, sem depender de suas informações espaciais.

Em um microscópio convencional, o espaço entre dois átomos efetivamente desaparece quando sua separação está abaixo de uma distância chave chamada de limite de difração, que é aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz. Isso é análogo a duas estrelas distantes que aparecem como um único ponto de luz no céu noturno. Contudo, esta é também a escala em que os átomos começam a interagir e dar origem a um rico e interessante comportamento da mecânica quântica.

"Nós sempre nos perguntamos, no nível mais fundamental - sólidos internos, dentro dos cristais - o que os átomos realmente fazem? Como eles interagem? ", Disse o físico Andrei Faraon, um professor do Instituto de Tecnologia da Califórnia que não estava envolvido na pesquisa. "Este [artigo] abre a janela para estudar os átomos que estão em muito, muito perto. "

Estudar átomos e suas interações a distâncias minúsculas permite que os cientistas explorem e controlem uma propriedade quântica conhecida como spin. Como forma de impulso, o spin é geralmente descrito como sendo para cima ou para baixo (ou ambos, mas isso é outra história). Quando a distância entre dois átomos fica cada vez menor - meros bilionésimos de metro - o spin de um exerce influência sobre o spin do outro, e vice versa. À medida que os spins interagem neste reino, eles podem ficar emaranhados, termo que os cientistas usam para descrever duas ou mais partículas inextricavelmente ligadas. Partículas emaranhadas se comportam como se compartilhassem uma existência, não importa o quão distantes eles se tornem mais tarde. O emaranhamento é o fenômeno essencial que separa a mecânica quântica do mundo clássico, e está no centro da visão das tecnologias quânticas. O novo dispositivo de Princeton é um trampolim para os cientistas estudarem essas interações de spin com uma clareza sem precedentes.

Uma característica importante do novo dispositivo de Princeton é o seu potencial para lidar com centenas de átomos por vez, fornecendo um rico laboratório quântico no qual coletar dados empíricos. É uma bênção para os físicos que esperam desvendar os mistérios mais profundos da realidade, incluindo a natureza assustadora do enredamento.

Essa investigação não é meramente esotérica. Nas últimas três décadas, engenheiros têm procurado usar fenômenos quânticos para criar tecnologias complexas para processamento de informação e comunicação, dos blocos de construção lógicos de computadores quânticos emergentes, capaz de resolver problemas impossíveis de outra forma, a métodos de comunicação ultrasseguros que podem conectar máquinas em uma Internet quântica inquebrável. Para desenvolver ainda mais esses sistemas, os cientistas precisarão emaranhar partículas de maneira confiável e explorar seu emaranhamento para codificar e processar informações.

A equipe de Thompson viu uma oportunidade no érbio. Tradicionalmente usado em lasers e ímãs, érbio não foi amplamente explorado para uso em sistemas quânticos porque é difícil de observar, de acordo com os pesquisadores. A equipe fez uma descoberta em 2018, desenvolver uma maneira de aumentar a luz emitida por esses átomos, e para detectar esse sinal de forma extremamente eficiente. Agora eles mostraram que podem fazer tudo em massa.

Quando o laser ilumina os átomos, excita-os apenas o suficiente para que emitam uma luz fraca em uma frequência única, mas delicadamente o suficiente para preservar e ler os spins dos átomos. Essas frequências mudam muito sutilmente de acordo com os diferentes estados dos átomos, de modo que "para cima" tem uma frequência e "para baixo" tem outra, e cada átomo individual tem seu próprio par de frequências.

"Se você tem um conjunto desses qubits, todos eles emitem luz em frequências ligeiramente diferentes. E assim, sintonizando o laser cuidadosamente com a frequência de um ou a frequência do outro, podemos abordá-los, mesmo que não tenhamos capacidade de resolvê-los espacialmente, "Disse Thompson." Cada átomo vê toda a luz, mas eles só ouvem a frequência em que estão sintonizados. "

A frequência da luz é um substituto perfeito para o giro. Alternar os giros para cima e para baixo dá aos pesquisadores uma maneira de fazer cálculos. É semelhante aos transistores que estão ligados ou desligados em um computador clássico, dando origem aos zeros e uns do nosso mundo digital.

Para formar a base de um processador quântico útil, esses qubits precisarão dar um passo adiante.

"A força da interação está relacionada à distância entre os dois spins, "disse Songtao Chen, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Thompson e um dos dois principais autores do artigo. "Queremos torná-los próximos para que possamos ter essa interação mútua, e usar essa interação para criar uma porta lógica quântica. "

Uma porta lógica quântica requer dois ou mais qubits emaranhados, tornando-o capaz de realizar operações quânticas exclusivas, como calcular os padrões de dobramento de proteínas ou rotear informações na internet quântica.

Thompson, que ocupa uma posição de liderança na nova iniciativa de ciência quântica de $ 115 milhões do Departamento de Energia dos EUA, está em uma missão para trazer esses qubits para o calcanhar. Dentro do impulso de materiais do Co-Design Center for Quantum Advantage, ele lidera os subqubits para computação e rede.

Seu sistema de érbio, um novo tipo de qubit que é especialmente útil em aplicativos de rede, pode operar usando a infraestrutura de telecomunicações existente, envio de sinais na forma de luz codificada por dispositivos de silício e fibras ópticas. Essas duas propriedades dão ao érbio uma vantagem industrial sobre os qubits de estado sólido mais avançados da atualidade, que transmitem informações através de comprimentos de onda de luz visível que não funcionam bem com redes de comunicação de fibra óptica.

Ainda, para operar em escala, o sistema de érbio precisará de mais engenharia.

Embora a equipe possa controlar e medir o estado de rotação de seus qubits, não importa o quão perto eles cheguem, e usar estruturas ópticas para produzir medições de alta fidelidade, eles ainda não podem organizar os qubits conforme necessário para formar portas de dois qubits. Fazer isso, os engenheiros precisarão encontrar um material diferente para hospedar os átomos de érbio. O estudo foi projetado com essa melhoria futura em mente.

"Uma das principais vantagens da maneira como fizemos este experimento é que não tem nada a ver com o hospedeiro do érbio, "disse Mouktik Raha, um estudante de graduação do sexto ano em engenharia elétrica e um dos dois autores principais do artigo. "Contanto que você possa colocar érbio dentro dele e ele não se agite, você está pronto para ir. "