Elétrons que giram para a direita e para a esquerda ao mesmo tempo. Partículas que mudam de estado juntas, mesmo estando separadas por enormes distâncias. Fenômenos intrigantes como esses são completamente comuns no mundo da física quântica. Pesquisadores do campus TUM Garching estão usando-os para construir computadores quânticos, sensores de alta sensibilidade e a Internet do futuro.



"Resfriamos o chip apenas alguns milésimos de grau acima do zero absoluto - mais frio do que no espaço sideral", diz Rudolf Gross, professor de Física Técnica e Diretor Científico do Instituto Walther Meissner (WMI) no campus de pesquisa de Garching. Ele está diante de um dispositivo de aparência delicada com discos dourados conectados por cabos:o sistema de resfriamento de um chip especial que utiliza as leis bizarras da física quântica.

Há cerca de vinte anos, os investigadores do WMI têm trabalhado em computadores quânticos, uma tecnologia baseada numa revolução científica que ocorreu há 100 anos, quando a física quântica introduziu uma nova forma de olhar para a física. Hoje serve de base para uma “nova era da tecnologia”, como a chama o Prof. Gross.

Para moldar esta era emergente, os investigadores de Garching estão a investigar formas de utilizar as regras da física quântica, bem como os riscos associados e os benefícios potenciais da tecnologia quântica para a sociedade.

Manipulação de átomos individuais

“Encontramos física quântica todos os dias”, diz Gross. Por exemplo, quando vemos um queimador de fogão brilhando em vermelho. Em 1900, Max Planck encontrou a fórmula para a radiação que corpos de diferentes temperaturas emitem. Isto significava que ele tinha de assumir que a luz emitida consistia em pequenas parcelas de energia, referidas como quanta. A física quântica continuou a desenvolver-se nos anos que se seguiram, mudando fundamentalmente a nossa compreensão do microcosmo. Novas tecnologias exploraram as propriedades especiais dos átomos e elétrons, por exemplo, o laser, o tomógrafo de ressonância magnética e o chip de computador.

As tecnologias desta primeira revolução quântica controlam grandes quantidades de partículas. Enquanto isso, os físicos também podem manipular átomos e fótons individuais e produzir objetos que obedecem às leis da física quântica. “Hoje podemos criar sistemas quânticos feitos sob medida”, diz Gross. Os princípios da física quântica, para os quais ainda não existem praticamente quaisquer realizações tecnológicas, podem ser utilizados nesta chamada segunda revolução quântica.

O primeiro desses princípios é a superposição:um objeto quântico pode assumir estados paralelos, que são mutuamente exclusivos no referencial clássico. Por exemplo, um elétron pode girar para a direita e para a esquerda ao mesmo tempo. Os estados sobrepostos também podem interagir mutuamente, semelhante a ondas que se cruzam, que se reforçam ou se cancelam – este é o segundo princípio:Interferência quântica.

Capturando fenômenos inconcebíveis

O terceiro fenômeno é o emaranhamento. Duas partículas podem ter um estado quântico conjunto, mesmo que estejam localizadas a quilômetros de distância uma da outra. Por exemplo, se medirmos a polarização de um determinado fóton, então o resultado da medição para o parceiro emaranhado é instantaneamente determinado como se o espaço entre os dois fótons não existisse.

Por mais exóticos que estes conceitos possam parecer, são igualmente importantes para o progresso técnico. Os computadores clássicos têm uma desvantagem:eles processam informações sequencialmente, uma etapa de cada vez. “Nem mesmo os supercomputadores que crescem cada vez mais rápido serão capazes de dominar todas as tarefas em questão”, diz Gross, uma vez que a complexidade de algumas tarefas pode aumentar drasticamente.

Por exemplo, o número de possíveis rotas de viagem entre diversas cidades aumenta com cada parada potencial. Existem seis rotas possíveis entre quatro cidades, enquanto para 15 cidades o número é superior a 40 mil milhões. Assim, a tarefa de encontrar o caminho mais curto muito rapidamente torna-se extremamente complexa, até mesmo insolúvel, utilizando computadores clássicos dentro de um período de tempo viável.

O princípio da superposição torna a tarefa muito mais fácil para o computador quântico:ele usa bits quânticos, ou qubits, que podem processar os valores dos bits 0 e 1 simultaneamente, em vez de sequencialmente. Um grande número de qubits, ligados uns aos outros por interferência quântica ou emaranhamento, podem processar um número inconcebivelmente grande de combinações em paralelo e, assim, resolver tarefas altamente complexas muito rapidamente.

Qubits:circuitos minúsculos

De volta ao WMI:aqui encontramos câmaras de vácuo de prata nas quais os átomos de metal são depositados com precisão em pastilhas de silício do tamanho de uma mão. As camadas de metal altamente puro que se formam nesses wafers formam a base para pequenos circuitos. Quando o super-resfriamento torna os circuitos supercondutores, a eletricidade que eles transportam oscila em várias frequências correspondentes a diferentes níveis de energia. Os dois níveis mais baixos servem como valores de qubit 0 e 1. O chip em um desses sistemas de resfriamento contém seis qubits, suficientes para fins de pesquisa.

No entanto, os computadores quânticos precisam de várias centenas de qubits para resolver problemas práticos. Além disso, cada um dos qubits deve ser capaz de realizar tantas etapas computacionais quanto possível, a fim de realizar algoritmos que sejam relevantes para fins práticos. Mas os qubits perdem a sua sobreposição muito rapidamente, mesmo após a mais ligeira perturbação, como defeitos materiais ou eletrosmog – “um problema enorme”, diz Gross.

Procedimentos complexos de correção devem então ser usados ​​para corrigir esses erros, mas esses processos exigirão milhares de qubits adicionais. Os especialistas esperam que isso leve muitos anos para ser alcançado. No entanto, os aplicativos iniciais já poderiam estar funcionais quando o número de erros de qubit for reduzido, se não eliminado.

“Uma importante fonte de erro é a interação mútua indesejada entre qubits”, diz o Dr. Kirill Fedorov do WMI. Sua solução:distribuir qubits em vários chips e enredá-los uns nos outros. No porão do WMI, Fedorov aponta para um tubo com o diâmetro de um galho de árvore que liga um computador quântico a outro. Os tubos contêm condutores de micro-ondas que colocam os qubits em interação mútua entre si. Essa abordagem poderia possibilitar que milhares de qubits trabalhassem juntos no futuro.

Quanta hipersensíveis medem com mais precisão

Eva Weig, professora de tecnologia de sensores nano e quânticos, tem uma perspectiva diferente sobre essa falta de perfeição. “O fato de os estados quânticos reagirem de forma tão sensível a tudo também pode ser uma vantagem”, diz ela. Mesmo os mais diminutos campos magnéticos, variações de pressão ou flutuações de temperatura podem alterar de forma mensurável um estado quântico. “Isso pode tornar os sensores mais sensíveis e precisos e torná-los capazes de obter melhor resolução espacial”, diz Weig.

Ela quer usar objetos relativamente grandes como sensores quânticos mecânicos. Mesmo nanoestruturas constituídas por milhões de átomos podem ser colocadas no seu estado quântico fundamental, como demonstraram pela primeira vez investigadores da Universidade da Califórnia em 2010. Eva Weig está a desenvolver a descoberta. "Quero construir nanossistemas facilmente controláveis ​​para medir as menores forças."

No laboratório, a física apresenta um chip que sua equipe fez em sua própria sala limpa. Nela estão o que ela chama de “nanoguitarras”, invisíveis a olho nu:minúsculas cordas, mil vezes mais finas que um fio de cabelo humano, que vibram em radiofrequência. A equipe de Weig está tentando colocar esses nano-osciladores em um estado quântico definido. Então as cordas poderiam ser usadas como sensores quânticos, por exemplo, na medição das forças existentes entre células individuais.

O caminho para a Internet quântica

O professor de Redes Quânticas Andreas Reiserer quer usar outro aspecto dos sistemas quânticos para facilitar uma internet quântica:o estado quântico de uma partícula é destruído quando é medido, o que significa que a informação que ela contém só pode ser lida uma vez. Assim, qualquer tentativa de intercepção deixaria inevitavelmente vestígios. Se não houver tais rastros, a comunicação poderá ser confiável. “A criptografia quântica é econômica e já pode suportar comunicação à prova de interceptação hoje”, diz ele.

Mas o alcance desta tecnologia ainda permanece limitado. Segundo Reiserer, os elementos de fibra óptica são ideais para transportar informações quânticas por meio da luz. Mas o vidro absorve parte da luz a cada quilômetro que percorre. Após cerca de 100 quilómetros, a comunicação já não é possível.

A equipe de Reiserer está, portanto, conduzindo pesquisas sobre os chamados repetidores quânticos, unidades de armazenamento de informações quânticas que serão espaçadas ao longo da rede de fibra óptica aproximadamente a cada 100 quilômetros. Se for possível entrelaçar cada um dos repetidores quânticos com seu vizinho imediato, então as informações enviadas poderão ser repassadas sem qualquer perda. “Desta forma, esperamos poder percorrer distâncias em escala global”, diz Reiserer. "Então seria possível conectar dispositivos em todo o mundo para formar um 'supercomputador quântico'."

A equipe sediada em Munique quer miniaturizar os repetidores quânticos, simplificá-los e torná-los adequados para produção em massa, colocando-os em um chip de computador. O chip contém uma fibra óptica na qual foram incorporados átomos de érbio. Esses átomos servem como qubits que podem armazenar informações em buffer. No entanto, Reiserer admite, isto requer um arrefecimento até quatro graus Kelvin (ou seja, aproximadamente -269°C) e acrescenta que será necessária muito mais investigação antes de ser alcançada a viabilidade prática.

Riscos sociais

A chegada das tecnologias quânticas à vida quotidiana também acarreta alguns riscos. Um computador quântico com correção de erros poderia quebrar os procedimentos convencionais de criptografia atuais e comprometer, por exemplo, a segurança dos bancos on-line. “A boa notícia é que já existem novos procedimentos de criptografia que são seguros contra ataques de computadores quânticos”, diz Urs Gasser, professor de Políticas Públicas, Governança e Tecnologia Inovadora e chefe do “Laboratório Social Quântico” da TUM. Gasser, um jurista, acrescenta que a transição levará vários anos, sendo necessário começar agora.

“O custo de chegar tarde demais pode até superar o custo de chegar atrasado na Inteligência Artificial”, alerta Gasser. O Quantum Social Lab concentra-se nos impactos éticos, legais e sociais das tecnologias quânticas emergentes. Isto inclui, por exemplo, a questão de como integrar as pessoas no debate em torno da nova tecnologia, ou se apenas os países ricos deveriam ou não ser capazes de planear melhor as suas cidades graças à optimização quântica.

“A segunda revolução quântica é uma mudança de paradigma que terá um impacto social, político e económico de longo alcance”, afirma o Prof. Gasser. “Temos que moldar esta revolução no melhor interesse da sociedade.”

Fornecido pela Universidade Técnica de Munique