O mundo que os físicos quânticos estudam com um olho treinado é o mesmo mundo que nós, não cientistas, navegamos todos os dias. A única diferença é que ele foi ampliado em escalas incompreensivelmente pequenas e grandes.
Ainda assim, a física quântica continua sendo um assunto obscuro – mesmo para leitores cientificamente astutos. O News@Northeastern conversou com Gregory Fiete, professor de física da Northeastern, sobre algumas das amplas aplicações da pesquisa quântica, desde o desenvolvimento de fontes de energia renovável e a construção de computadores mais poderosos, até o avanço da busca da humanidade para descobrir vida além do sistema solar. Os comentários de Fiete foram editados por questões de brevidade e clareza.

Para começar, vamos dar ao nosso público alguns insights sobre a natureza do seu trabalho, olhando para o mundo do infinitesimalmente pequeno. Quais são alguns equívocos sobre o trabalho em que físicos quânticos como você estão envolvidos – e por que isso é importante?

Você mencionou o quantum e o mundo do pequeno. Isso é o que a maioria das pessoas pensa quando pensa em mecânica quântica e na maneira como alguns dos primeiros fundamentos da teoria quântica se desenvolveram, que consideravam o átomo de hidrogênio e como ele tem níveis de energia discretos, que você pode observar experimentalmente observando os espectros, ou como absorve e emite luz, por exemplo.

[O átomo de hidrogênio] absorve e emite em frequências particulares, e agora entendemos que é por causa da natureza quântica do átomo – como existem apenas órbitas específicas permitidas de um elétron ao redor do núcleo. Portanto, tendemos a pensar na mecânica quântica em termos desse exemplo inicial muito importante de um átomo de hidrogênio e, portanto, tendemos a pensar que o quantum é sobre o pequeno. Mas, na verdade, não é nada sobre o pequeno.

Pegue o sol, por exemplo. O sol é muito grande — é o maior objeto do nosso sistema solar; nossos planetas estão girando em torno dele em órbitas por causa de sua atração gravitacional.

A maneira como o sol funciona é queimando hidrogênio. Sua atração gravitacional é tão grande que combina hidrogênio em hélio e depois hélio em outros elementos. Está fundindo átomos e esse processo de fusão é um fenômeno quântico, e está por trás de um dos grandes desafios energéticos que estão sendo realizados aqui na Terra, conhecido como fusão sustentada. Isso é apenas pegar hidrogênio e combiná-lo em hélio – se pudermos fazer isso na Terra dentro de um confinamento magnético, teremos uma fonte de energia limpa e renovável.

Existem quantidades essencialmente ilimitadas de hidrogênio que podem ser combinadas, e o hélio não é radioativo. Assim, poderíamos produzir muita energia a partir de coisas que são mais ou menos infinitamente abundantes sem produzir resíduos na forma de material radioativo. Este é um sonho para o qual os físicos estão trabalhando. Então, algumas das maiores coisas do universo são certamente mecânicas quânticas, incluindo buracos negros supermassivos que podem perder energia através de um fenômeno quântico conhecido como radiação Hawking.

O segundo ponto é que muitas vezes se pensa que o quantum lida com temperaturas muito baixas. Novamente, para tomar nosso sol como exemplo, é muito quente, mas isso é mecânica quântica. A baixa temperatura não serve como requisito para o quantum. Este exemplo de uma estrela e o quantum do processo de fusão e as altas temperaturas associadas a isso - eu só quero ampliar a visão do que é a mecânica quântica e quão onipresente ela é.

Quando escrevemos sobre o trabalho que você e seus colegas estão fazendo, sempre há aplicativos do mundo real. Você pode falar sobre algumas das maneiras pelas quais os físicos quânticos estão estimulando avanços tecnológicos além de seu campo?

Vou citar algumas das minhas tecnologias favoritas. Uma das coisas que realmente me empolga na física quântica é seu uso para o que considero "forense", ou forense quântica, se preferir.

Porque coisas como átomos têm níveis discretos de energia associados a eles, acontece que isso pode ser usado para identificar átomos. Se você comparar os níveis de energia permitidos para o hidrogênio e os níveis de energia permitidos para o hélio, ou qualquer outro elemento, eles são diferentes. Se você tivesse um gás de qualquer coisa, poderia determinar quais átomos estão no gás observando como ele absorve e emite luz. Isso é de grande valor prático se você estiver interessado em algo distante, como um planeta que gira em torno de uma estrela que não é a nossa.

Há um campo fantástico de exoplanetas que estamos descobrindo usando telescópios poderosos, detectando esses planetas se movendo entre as estrelas e nossa Terra. Nossos telescópios – alguns deles estão no espaço ligados a satélites com incrível resolução de frequência e sensibilidade – são tão poderosos que podemos observar a fina camada da atmosfera ao redor desses planetas e como a luz da estrela está passando por ela. Então usamos a técnica de espectroscopia e vemos como a luz da estrela atrás está sendo absorvida pela atmosfera deste planeta, que pode estar a milhares de anos-luz de distância. Assim, podemos detectar quais átomos estão na atmosfera.

Isso é bem interessante. Mas vai além. Podemos detectar quais moléculas estão lá também. Por exemplo, existem dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio? Em outras palavras, há água na atmosfera? As moléculas têm sua própria assinatura espectroscópica. Então, podemos realmente detectar se há água na atmosfera de alguns desses planetas, e isso é realmente empolgante.

No entanto, podemos dar um passo adiante. Quando há temperaturas envolvidas, essas linhas espectrais, como são chamadas, essas frequências específicas são ampliadas. Há uma espécie de faixa de frequências onde você vê a absorção e a emissão. E a quantidade que é ampliada informa sobre a temperatura de uma molécula – em outras palavras, a temperatura da atmosfera desses planetas.

É incrível que possamos determinar o que há nas atmosferas desses planetas – planetas que seriam impossíveis para os humanos visitarem. Isso, e podemos procurar por assinaturas de vida, tipo, existem moléculas que associamos à vida flutuando nesses planetas, pelo menos se for vida semelhante à da Terra; então poderemos determinar com alguma probabilidade que algum planeta lá fora, que nenhum humano jamais poderia visitar, abriga vida. Ou talvez pudéssemos descobrir outras formas de vida candidatas. Esse é um exemplo bastante inspirador e, em última análise, depende da física quântica e da técnica de espectroscopia.

Um outro exemplo que eu acho que também é de grande interesse é que a física quântica está produzindo fontes de energia que estão além do alcance da energia solar. Então, quando você envia uma sonda espacial para observar os planetas externos do nosso sistema solar, digamos Plutão (tecnicamente não é mais considerado um planeta). Se você quiser olhar para Plutão, envie uma sonda espacial profunda – leva anos para chegar lá. Você pode perguntar, que tipo de fonte de energia você pode ter para os computadores nesta sonda para que você possa enviar de volta as belas fotos que vemos? Bem, você pode colocar uma bateria lá. Vai levar anos para chegar lá, o espaço tem muita radiação e as baterias podem ser danificadas; eles podem não funcionar corretamente quando são lançados através de todas as variações de calor que saem da atmosfera, e o frio do espaço, etc. Isso não é muito prático. Não há luz solar suficiente que você possa coletar com painéis solares para executar os sistemas de computador e enviar imagens de volta.

Então, como eles alimentam os computadores nessas sondas do espaço profundo? O que eles usam é radiação. Eles usam um material radioativo, e a radioatividade é novamente outro processo quântico, onde os elementos pesados ​​se decompõem em elementos mais leves; quando o fazem, ejetam partes de seu núcleo. Mas essas partes ejetadas do núcleo carregam energia que pode ser capturada.

Existem materiais, alguns muito próximos de coisas que eu trabalho, que são chamados de materiais termoelétricos. Eles pegam regiões de alta temperatura e as ligam a regiões de baixa temperatura, convertendo essa diferença de temperatura alta-baixa em uma tensão, que então age como uma bateria. Uma vez que você tenha uma tensão em um sistema elétrico, agora você pode mover correntes e operar um computador ou circuitos elétricos mais ou menos da maneira normal.

É tudo muito interessante. Parece que a física quântica é realmente o trabalho fundamental para transformar nossa infraestrutura de energia, entre outras tecnologias. Essa é a maneira certa de pensar sobre isso?

Sim está certo. Esse é um ótimo ponto – pensar em mudanças climáticas e energias renováveis ​​e também tecnologias que não poluem nosso meio ambiente.

Se pensarmos em energia por um momento, como quando discutimos o exemplo da fusão, que é uma tecnologia verde – supondo que possamos fazê-la funcionar. Se nos afastarmos da fusão, existem outras tecnologias em vigor agora que são verdes. Pegue as turbinas eólicas. O que as turbinas eólicas têm a ver com a física quântica? A maneira como as turbinas eólicas funcionam é que elas têm um ímã preso às hélices à medida que o vento as gira, e girar um ímã gera uma corrente elétrica. É assim que você gera eletricidade:você torce um ímã dentro de uma bobina de fios.

Mas a pergunta é:qual ímã você deve usar? Então é aí que entra a pesquisa fundamental — na verdade, a pesquisa na qual estou envolvido até certo ponto na Northeastern —:pensar em sistemas magnéticos que teriam propriedades desejáveis ​​para aplicações como turbinas eólicas.

Você precisa ter um ímã muito robusto que precisa sobreviver a altas temperaturas, ou seja, muito acima da temperatura ambiente, porque pode ficar quente lá em cima com o sol brilhando nele. Ele também deve ter propriedades robustas o suficiente para sobreviver a quaisquer tensões e tensões à medida que é torcido neste sistema de turbina. Esses são os chamados ímãs rígidos. Então, como você desenvolve ímãs melhores? Essa é uma questão quântica.

Como pensamento final, gostaria de saber quais são suas grandes esperanças para sua pesquisa e para o campo. O que você gostaria de ver acontecer durante sua vida e há algum avanço que estamos prestes a fazer?

Essa é uma pergunta difícil que todos no campo estão fazendo:quais são os avanços dos quais estamos realmente à beira? Um exemplo bem citado é a computação quântica. Ter um computador quântico não vai resolver todos os problemas de computação que qualquer um possa sonhar. Acontece que os computadores quânticos são particularmente hábeis em certas classes de problemas, onde podem fornecer o que é chamado de "vantagem quântica". Existem alguns problemas específicos para os quais os computadores quânticos são mais úteis; mas outros problemas podem ser mais bem resolvidos por supercomputadores convencionais.

Portanto, uma das questões no campo é tentar fornecer uma resolução um pouco mais precisa sobre quais são os problemas específicos com os quais os computadores quânticos nos ajudarão. É uma área em evolução, como qual é o verdadeiro problema de nicho para um computador quântico. Acho que todos nós que trabalhamos no campo sentimos que haverá algumas aplicações específicas, onde os computadores quânticos realmente superam todo o resto – e todos querem se envolver nisso; todos significando cada nação desenvolvida. Todos querem fazer parte desta próxima revolução quântica, que não se trata apenas de desenvolver a mecânica quântica como uma nova ciência, mas de fazer a transição da mecânica quântica para aplicações muito amplas. E a computação é apenas uma área na vanguarda. + Explorar mais

O computador quântico funciona com mais de zero e um