Pela primeira vez, uma equipe de físicos de Princeton foi capaz de unir moléculas individuais em estados especiais que são "emaranhados" mecanicamente quântica. Nestes estados bizarros, as moléculas permanecem correlacionadas entre si — e podem interagir simultaneamente — mesmo que estejam a quilómetros de distância, ou mesmo que ocupem extremos opostos do universo. Esta pesquisa foi publicada recentemente na revista Science .



“Este é um avanço no mundo das moléculas devido à importância fundamental do emaranhamento quântico”, disse Lawrence Cheuk, professor assistente de física na Universidade de Princeton e autor sênior do artigo. "Mas também é um avanço para aplicações práticas porque moléculas emaranhadas podem ser os blocos de construção para muitas aplicações futuras."

Estes incluem, por exemplo, computadores quânticos que podem resolver certos problemas muito mais rapidamente do que os computadores convencionais, simuladores quânticos que podem modelar materiais complexos cujos comportamentos são difíceis de modelar, e sensores quânticos que podem medir mais rapidamente do que os seus homólogos tradicionais.

“Uma das motivações para fazer ciência quântica é que, no mundo prático, se você aproveitar as leis da mecânica quântica, poderá fazer muito melhor em muitas áreas”, disse Connor Holland, estudante de pós-graduação em física. departamento e coautor do trabalho.

A capacidade dos dispositivos quânticos de superar os clássicos é conhecida como “vantagem quântica”. E no centro da vantagem quântica estão os princípios da superposição e do emaranhamento quântico. Enquanto um bit de computador clássico pode assumir o valor de 0 ou 1, os bits quânticos, chamados qubits, podem estar simultaneamente em uma superposição de 0 e 1.

O último conceito, emaranhamento, é uma pedra angular da mecânica quântica e ocorre quando duas partículas se tornam inextricavelmente ligadas entre si, de modo que esta ligação persiste, mesmo que uma partícula esteja a anos-luz de distância da outra partícula. É o fenómeno que Albert Einstein, que inicialmente questionou a sua validade, descreveu como “acção assustadora à distância”.

Desde então, os físicos demonstraram que o emaranhamento é, na verdade, uma descrição precisa do mundo físico e de como a realidade é estruturada.

“O emaranhamento quântico é um conceito fundamental”, disse Cheuk, “mas também é o ingrediente chave que confere vantagem quântica”.

Mas construir vantagens quânticas e alcançar um emaranhamento quântico controlável continua a ser um desafio, até porque engenheiros e cientistas ainda não têm certeza sobre qual plataforma física é melhor para a criação de qubits.

Nas últimas décadas, muitas tecnologias diferentes – como íons aprisionados, fótons e circuitos supercondutores, para citar apenas alguns – foram exploradas como candidatas a computadores e dispositivos quânticos. O sistema quântico ideal ou plataforma qubit pode muito bem depender da aplicação específica.

Até esta experiência, no entanto, as moléculas há muito desafiavam o emaranhado quântico controlável. Mas Cheuk e os seus colegas encontraram uma forma, através de uma manipulação cuidadosa em laboratório, de controlar moléculas individuais e persuadi-las a entrar nestes estados quânticos interligados.

Eles também acreditavam que as moléculas tinham certas vantagens – sobre os átomos, por exemplo – que as tornavam especialmente adequadas para certas aplicações no processamento de informações quânticas e na simulação quântica de materiais complexos. Em comparação com os átomos, por exemplo, as moléculas têm mais graus quânticos de liberdade e podem interagir de novas maneiras.

“O que isto significa, em termos práticos, é que existem novas formas de armazenar e processar informação quântica”, disse Yukai Lu, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação e coautor do artigo. "Por exemplo, uma molécula pode vibrar e girar em vários modos. Portanto, você pode usar dois desses modos para codificar um qubit. Se a espécie molecular for polar, duas moléculas podem interagir mesmo quando separadas espacialmente."

No entanto, as moléculas revelaram-se notoriamente difíceis de controlar em laboratório devido à sua complexidade. Os próprios graus de liberdade que os tornam atraentes também os tornam difíceis de controlar ou encurralar em ambientes de laboratório.

Cheuk e sua equipe enfrentaram muitos desses desafios por meio de um experimento cuidadosamente elaborado. Eles primeiro escolheram uma espécie molecular que é polar e pode ser resfriada com lasers. Eles então resfriaram as moléculas a laser a temperaturas ultrabaixas, onde a mecânica quântica ocupa o centro do palco.

Moléculas individuais foram então captadas por um sistema complexo de feixes de laser fortemente focados, as chamadas “pinças ópticas”. Ao projetar as posições das pinças, eles foram capazes de criar grandes conjuntos de moléculas únicas e posicioná-las individualmente em qualquer configuração unidimensional desejada. Por exemplo, eles criaram pares isolados de moléculas e cadeias de moléculas sem defeitos.

Em seguida, eles codificaram um qubit em um estado rotativo e não rotativo da molécula. Eles conseguiram mostrar que este qubit molecular permaneceu coerente; isto é, lembrou-se de sua superposição. Resumindo, os pesquisadores demonstraram a capacidade de criar qubits bem controlados e coerentes a partir de moléculas controladas individualmente.

Para emaranhar as moléculas, eles tiveram que fazer a molécula interagir. Usando uma série de pulsos de micro-ondas, eles conseguiram fazer com que moléculas individuais interagissem umas com as outras de maneira coerente.

Ao permitir que a interação ocorresse por um período preciso de tempo, eles foram capazes de implementar uma porta de dois qubits que emaranhava duas moléculas. Isso é significativo porque essa porta emaranhada de dois qubits é um alicerce tanto para a computação quântica digital universal quanto para a simulação de materiais complexos.

O potencial desta pesquisa para investigar diferentes áreas da ciência quântica é grande, dadas as características inovadoras oferecidas por esta nova plataforma de matrizes de pinças moleculares. Em particular, a equipe de Princeton está interessada em explorar a física de muitas moléculas em interação, que podem ser usadas para simular sistemas quânticos de muitos corpos onde podem aparecer comportamentos emergentes interessantes, como novas formas de magnetismo.

“Usar moléculas para a ciência quântica é uma nova fronteira, e nossa demonstração de emaranhamento sob demanda é um passo fundamental para demonstrar que as moléculas podem ser usadas como uma plataforma viável para a ciência quântica”, disse Cheuk.

Em um artigo separado publicado na mesma edição da Science , um grupo de pesquisa independente liderado por John Doyle e Kang-Kuen Ni, da Universidade de Harvard, e Wolfgang Ketterle, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, obteve resultados semelhantes.

"O fato de terem obtido os mesmos resultados confirma a confiabilidade dos nossos resultados", disse Cheuk. "Eles também mostram que os arranjos de pinças moleculares estão se tornando uma nova e excitante plataforma para a ciência quântica."

Mais informações: Connor M. Holland et al, Emaranhamento sob demanda de moléculas em um conjunto de pinças ópticas reconfiguráveis, Science (2023). DOI:10.1126/science.adf4272. www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272
Yicheng Bao et al, Troca de spin dipolar e emaranhamento entre moléculas em uma matriz de pinça óptica, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.adf8999. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

Augusto Smerzi et al, Emaranhamento com moléculas pinçadas, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.adl4179. www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179

Informações do diário: Ciência

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