Sistema e leitura com resolução espacial. Dois quase-BECs 1D com fases quânticas flutuantes localmente presas magneticamente abaixo de um chip de átomo com técnica de curativo de RF. A resolução espacial nos permite sondar as correlações de fase espacial ao longo dos condensados. Crédito:Revisão Física X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011049 As experiências quânticas têm sempre de lidar com o mesmo problema, independentemente de envolverem computadores quânticos, teletransporte quântico ou novos tipos de sensores quânticos:os efeitos quânticos quebram-se muito facilmente. Eles são extremamente sensíveis a perturbações externas – por exemplo, a flutuações causadas simplesmente pela temperatura ambiente. Portanto, é importante ser capaz de resfriar os experimentos quânticos da forma mais eficaz possível.
Na TU Wien (Viena), os investigadores demonstraram agora que este tipo de arrefecimento pode ser alcançado de uma forma nova e interessante:um condensado de Bose-Einstein é dividido em duas partes, nem abruptamente nem particularmente lentamente, mas com uma dinâmica temporal muito específica que garante que flutuações aleatórias sejam evitadas da maneira mais perfeita possível.
Desta forma, a temperatura relevante no já extremamente frio condensado de Bose-Einstein pode ser significativamente reduzida. Isto é importante para simuladores quânticos, que são usados na TU Wien para obter insights sobre efeitos quânticos que não poderiam ser investigados usando métodos anteriores. O estudo foi publicado na Physical Review X .
Simuladores quânticos
“Trabalhamos com simuladores quânticos em nossa pesquisa”, diz Maximilian Prüfer, que está pesquisando novos métodos no Instituto Atômico da TU Wien com a ajuda de uma bolsa Esprit da FWF. "Simuladores quânticos são sistemas cujo comportamento é determinado por efeitos da mecânica quântica e que podem ser controlados e monitorados particularmente bem. Esses sistemas podem, portanto, ser usados para estudar fenômenos fundamentais da física quântica que também ocorrem em outros sistemas quânticos, que não podem ser estudados tão facilmente ."
Isso significa que um sistema físico é usado para realmente aprender algo sobre outros sistemas. Esta ideia não é inteiramente nova na física:por exemplo, também podemos realizar experiências com ondas de água para aprender algo sobre ondas sonoras – mas as ondas de água são mais fáceis de observar.
“Na física quântica, os simuladores quânticos tornaram-se uma ferramenta extremamente útil e versátil nos últimos anos”, diz Maximilian Prüfer. "Entre as ferramentas mais importantes para a realização de sistemas modelo interessantes estão nuvens de átomos extremamente frios, como aquelas que estudamos em nosso laboratório."
No artigo atual, os cientistas liderados por Jörg Schmiedmayer e Maximilian Prüfer investigaram como o emaranhamento quântico evolui ao longo do tempo e como isso pode ser usado para alcançar um equilíbrio de temperatura ainda mais frio do que antes. A simulação quântica também é um tema central no recém-lançado QuantA Cluster of Excellence, no qual vários sistemas quânticos estão sendo investigados.
Tiantian Zhang e Maximilian Prüfer discutindo medições no laboratório quântico. Crédito:Universidade de Tecnologia de Viena
Quanto mais frio, melhor
O fator decisivo que normalmente limita a adequação de tais simuladores quânticos atualmente é a sua temperatura. “Quanto melhor resfriarmos os interessantes graus de liberdade do condensado, melhor poderemos trabalhar com ele e mais poderemos aprender com ele”, diz Prüfer.
Existem diferentes maneiras de resfriar algo:por exemplo, você pode resfriar um gás aumentando seu volume muito lentamente. Com condensados de Bose-Einstein extremamente frios, outros truques são normalmente usados:os átomos mais energéticos são rapidamente removidos até que reste apenas uma coleção de átomos, que têm uma energia baixa bastante uniforme e são, portanto, mais frios.
“Mas usamos uma técnica completamente diferente”, diz Tiantian Zhang, primeira autora do estudo, que investigou este tópico como parte de sua tese de doutorado na Faculdade de Doutorado do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena. “Criamos um condensado de Bose-Einstein e depois o dividimos em duas partes, criando uma barreira no meio”.
O número de partículas que vão parar no lado direito e no lado esquerdo da barreira é indeterminado. Devido às leis da física quântica, há uma certa incerteza aqui. Poderíamos dizer que ambos os lados estão em uma superposição física quântica de diferentes estados de número de partículas.
“Em média, exatamente 50% das partículas estão à esquerda e 50% à direita”, diz Prüfer. “Mas a física quântica diz que sempre existem certas flutuações. As flutuações, ou seja, os desvios do valor esperado, estão intimamente relacionadas com a temperatura.”
Resfriamento controlando as flutuações
A equipe de pesquisa da TU Wien conseguiu mostrar que nem uma divisão extremamente abrupta nem extremamente lenta do condensado de Bose-Einstein é ideal. Deve ser encontrado um compromisso, uma forma inteligentemente adaptada de dividir dinamicamente o condensado, a fim de controlar as flutuações quânticas da melhor forma possível.
Isto não pode ser calculado; o problema não pode ser resolvido usando computadores convencionais. Mas com experimentos, a equipe de pesquisa conseguiu mostrar que a dinâmica de divisão apropriada pode ser usada para suprimir a flutuação no número de partículas, e isso, por sua vez, se traduz em uma redução na temperatura que se deseja minimizar.
“Existem diferentes escalas de temperatura simultaneamente neste sistema, e reduzimos uma delas muito específica”, explica Prüfer. “Portanto, você não pode pensar nisso como um minigeladeira que fica visivelmente mais frio no geral. Mas não é disso que estamos falando:suprimir as flutuações é exatamente o que precisamos para poder usar nosso sistema como um simulador quântico, mesmo melhor do que antes. Agora podemos usá-lo para responder questões da física quântica fundamental que antes eram inacessíveis."
