Físicos acabam de atingir um novo limite de velocidade para mover informações quânticas

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Créditos: Teekid / Getty Images.

Por David Nield
Publicado na ScienceAlert

O progresso científico em direção a um futuro da computação quântica envolveu até agora muitos avanços diferentes em muitos campos distintos (mas relacionados), e agora há ainda mais um para ser relatado: a descoberta de um limite crucial de velocidade quântica.

Esta última pesquisa responde a uma questão fundamental – quão rápido pode ser um processo quântico? É uma informação útil saber se você deseja construir um computador quântico ou uma rede quântica, uma vez que revela algumas das limitações inerentes ao sistema.

Felizmente para aqueles de nós que não são físicos quânticos, a equipe por trás do novo estudo forneceu uma analogia mais fácil de entender, que envolve um garçom habilidoso correndo com uma bandeja de bebidas. Com que rapidez o garçom consegue distribuir todas as bebidas sem derramar o líquido?

A resposta, ao que parece, é ele cuidadosamente acelerar e desacelerar em certos pontos, derrubando um pouco do líquido do copo quando necessário para evitar derramamento – só que aqui os cientistas usaram átomos de césio resfriados em vez de champanhe, e uma armadilha óptica criada por dois feixes de laser como a ‘bandeja de bebidas’.

Essa armadilha – conhecida como rede óptica – é formada quando dois feixes de laser são apontados precisamente um para o outro (os físicos chamam isso de contrapropagação), resultando em uma interferência bem definida com a forma de vários picos e vales.

Para o transporte, os átomos foram colocados nesses vales, e a rede bidimensional foi posta em movimento, não muito diferente de uma correia transportadora. Determinar a rapidez com que essa configuração poderia ser movida sem qualquer interrupção nos átomos foi o objetivo da pesquisa.

“Colocamos o átomo em um desses vales e, em seguida, colocamos a onda estacionária em movimento – isso deslocou a posição do próprio vale”, disse o físico Andrea Alberti, da Universidade de Bonn, na Alemanha.

“Nosso objetivo era levar o átomo ao local de destino no menor tempo possível, sem que ele se espalhasse para fora do vale, por assim dizer”.

A configuração aborda as limitações físicas de obter informações quânticas de um lugar para outro, totalmente intactas. Movê-la o mais rápido possível ajuda a proteger contra interferências externas, mas se for rápido demais, dados importantes podem se perder (em outras palavras, você acaba com champanhe no chão).

O que os cientistas descobriram foi que acelerações e desacelerações cuidadosamente calibradas eram necessárias para atingir o limite de velocidade geral ideal para a transferência de dados quânticos, em vez de manter uma velocidade constante o tempo todo.

É a primeira vez que transferências mais complexas – onde os sistemas precisam se mover por vários estados quânticos ao longo da jornada – são medidas dessa forma. Os limites de velocidade quântica para estados mais simples já foram estabelecidos.

O limite de Mandelstam-Tamm para estados mais simples, nomeado após os físicos que o descobriram, não se aplica aqui. O que ele fez, porém, foi dar aos pesquisadores um ponto de partida: a ideia de que a incerteza energética (como as partículas ‘livres’ devem se mover entre os estados de energia) é crucial para a velocidade máxima de uma transferência.

Para cenários mais complexos em distâncias maiores, a incerteza energética desempenha um papel junto ao número de estados intermediários pelos quais as partículas devem passar para alcançar com sucesso seu destino sem interferência. Em última análise, os sistemas quânticos mais complexos têm um limite de velocidade inferior.

Agora que sabemos a velocidade mais rápida em que os átomos podem ser movidos de um lugar para outro sem perder seu estado original – 17 milímetros por segundo em uma distância de 0,5 micrômetro neste estudo – sabemos quão rápido podemos ser capazes de realizar transferências semelhantes dentro de sistemas de computadores quânticos.

Um dos principais problemas com estados quânticos é sua fragilidade ou seu curto tempo de coerência – por quanto tempo eles podem permanecer estáveis. Essa nova pesquisa nos deixa mais perto de entender como podemos aproveitar ao máximo esse tempo.

“Nosso estudo revela o número máximo de operações que podemos realizar no tempo de coerência”, disse Alberti. “Isso torna possível fazer um uso otimizado dele”.

A pesquisa foi publicada na Physical Review X.