Anunciando o nascimento do QUIONE, um processador quântico analógico exclusivo
Imagem da célula de vidro com a nuvem de gás estrôncio no meio. Crédito:ICFO A física quântica requer técnicas de detecção de alta precisão para aprofundar as propriedades microscópicas dos materiais. A partir dos processadores quânticos analógicos que surgiram recentemente, os microscópios de gás quântico provaram ser ferramentas poderosas para a compreensão de sistemas quânticos em nível atômico. Esses dispositivos produzem imagens de gases quânticos com resolução muito alta:eles permitem a detecção de átomos individuais.
Agora, os pesquisadores do ICFO (Barcelona, Espanha) Sandra Buob, Jonatan Höschele, Dr. em homenagem à deusa grega da neve. O microscópio quântico de gás do grupo é o único no mundo que faz imagens de átomos individuais de gases quânticos de estrôncio, bem como o primeiro desse tipo na Espanha.
A pesquisa da equipe foi publicada na revista PRX Quantum .
Além das imagens impactantes nas quais átomos individuais podem ser distinguidos, o objetivo do QUIONE é a simulação quântica. Como explica o professor Tarruell, "a simulação quântica pode ser usada para resumir sistemas muito complicados em modelos mais simples para entender as questões em aberto que os computadores atuais não conseguem responder, como por que alguns materiais conduzem eletricidade sem quaisquer perdas, mesmo em temperaturas relativamente altas."
A singularidade desta experiência reside no facto de a equipa ter conseguido trazer o gás estrôncio para o regime quântico, colocá-lo numa rede óptica onde os átomos poderiam interagir por colisões, e depois aplicar as técnicas de imagem de átomo único. Esses três ingredientes juntos tornam o microscópio quântico de gás quântico de estrôncio do ICFO único.
Por que estrôncio?
Até agora, essas configurações de microscópio dependiam de átomos alcalinos, como o lítio e o potássio, que têm propriedades mais simples em termos de espectro óptico em comparação com átomos alcalino-terrosos, como o estrôncio. Isso significa que o estrôncio oferece mais ingredientes para brincar nesses experimentos.
Na verdade, nos últimos anos, as propriedades únicas do estrôncio tornaram-no um elemento muito popular para aplicações nas áreas de computação quântica e simulação quântica. Por exemplo, uma nuvem de átomos de estrôncio pode ser usada como um processador quântico atômico, o que poderia resolver problemas além das capacidades dos atuais computadores clássicos.
Em suma, os investigadores do ICFO viram um grande potencial para a simulação quântica no estrôncio e começaram a construir o seu próprio microscópio quântico de gás. Foi assim que nasceu a QUIONE.
QUIONE, um simulador quântico de cristais reais
Para tanto, a equipe primeiro baixou a temperatura do gás estrôncio. Usando a força de vários feixes de laser, eles reduziram a velocidade dos átomos a um ponto em que eles permaneceram quase imóveis, quase sem se moverem, e sua temperatura foi reduzida a quase zero absoluto em apenas alguns milissegundos. Após esse ponto, as leis da mecânica quântica governaram seu comportamento, e os átomos exibiram novas características, como superposição quântica e emaranhamento.
Depois disso, com a ajuda de lasers especiais, os pesquisadores ativaram a rede óptica, que mantém os átomos dispostos em uma grade ao longo do espaço.
"Você pode imaginar isso como uma caixa de ovos, onde os locais individuais são, na verdade, onde você coloca os ovos. Mas em vez de ovos, temos átomos e, em vez de uma caixa, temos a rede óptica", explica Buob, o primeiro autor do artigo.
Os átomos no ovo interagiam entre si, às vezes experimentando tunelamento quântico para se moverem de um lugar para outro. Essa dinâmica quântica entre átomos imita a dos elétrons em certos materiais. Portanto, o estudo desses sistemas pode lançar luz sobre o comportamento complexo de determinados materiais, que é a ideia chave da simulação quântica.
Os pesquisadores tiraram as imagens com seu microscópio assim que o gás e a rede óptica ficaram prontos e puderam finalmente observar seu gás quântico de estrôncio, átomo por átomo. A essa altura, a construção do QUIONE já havia sido um sucesso, mas seus idealizadores queriam tirar ainda mais proveito.
Assim, além das fotos, eles gravaram vídeos dos átomos e puderam observar que, embora os átomos devessem permanecer imóveis durante a imagem, às vezes eles saltavam para um local próximo da rede. O fenômeno do tunelamento quântico pode explicar isso.
"Os átomos estavam 'pulando' de um local para outro. Foi algo muito bonito de ver, pois estávamos literalmente testemunhando uma manifestação direta de seu comportamento quântico inerente", diz Buob.
Finalmente, o grupo de investigação utilizou o seu microscópio de gás quântico para confirmar que o gás estrôncio era um superfluido, uma fase quântica da matéria que flui sem viscosidade.
"De repente desligamos o laser reticular, para que os átomos pudessem se expandir no espaço e interferir uns com os outros. Isso gerou um padrão de interferência devido à dualidade onda-partícula dos átomos no superfluido. Quando nosso equipamento o capturou, verificamos a presença de superfluidez na amostra", explica o Dr. Rubio-Abadal.
“É um momento muito emocionante para a simulação quântica”, comenta o Prof. Tarruell. "Agora que adicionamos o estrôncio à lista de microscópios de gás quântico disponíveis, poderemos em breve ser capazes de simular materiais mais complexos e exóticos. Então, espera-se que surjam novas fases da matéria. E também esperamos obter muito mais recursos computacionais poder para usar essas máquinas como computadores quânticos analógicos."
