Traduzido e adaptado por Mateus Lynniker de ScienceNews
Você não pode dividir o indivisível, a menos que use a mecânica quântica. Os físicos agora se voltaram para os efeitos quânticos para dividir os fônons , os menores pedaços de som, relatam os pesquisadores na Science de 9 de junho .
É um avanço que reflete o tipo de estranheza quântica que normalmente é demonstrada com luz ou pequenas partículas como elétrons e átomos ( SN: 27/07/22 ). A conquista pode um dia levar a versões baseadas em som de computadores quânticos ou dispositivos de medição extremamente sensíveis. Por enquanto, isso mostra que a estranheza quântica alucinante se aplica tanto ao som quanto à luz.
“Não havia ninguém que realmente tivesse explorado isso”, diz o físico de engenharia Andrew Cleland, da Universidade de Chicago. Isso permite que os pesquisadores “tracem paralelos entre as ondas sonoras e a luz”.
Os fônons têm muito em comum com os fótons, os menores pedaços de luz. Diminuir o volume de um som é o mesmo que diminuir o número de fônons, assim como diminuir a intensidade da luz reduz o número de fótons. Os sons mais silenciosos de todos consistem em fônons individuais – e indivisíveis.
Ao contrário dos fótons, que podem viajar pelo espaço vazio, os fônons precisam de um meio como o ar ou a água – ou, no caso do novo estudo, a superfície de um material elástico. “O que é realmente incrível, na minha opinião, é que essas ondas sonoras [transportam] uma quantidade muito, muito pequena de energia, porque é um único quantum”, diz Cleland. “Mas envolve o movimento de um quatrilhão de átomos que estão todos trabalhando juntos para [transmitir] essa onda sonora”.
Os fônons não podem ser quebrados permanentemente em pedaços menores. Mas, como mostrou o novo experimento, eles podem ser temporariamente divididos em partes usando a mecânica quântica.
Cleland e sua equipe conseguiram a façanha com um divisor de feixe acústico, um dispositivo que permite a passagem de cerca de metade de uma torrente de fônons enquanto o restante é refletido de volta. Mas quando apenas um fônon de cada vez encontra o divisor de feixe, esse fônon entra em um estado quântico especial em que segue nos dois sentidos ao mesmo tempo. O fônon simultaneamente refletido e transmitido interage consigo mesmo, em um processo conhecido como interferência, para mudar onde ele finalmente termina.
A demonstração de laboratório do efeito contou com sons milhões de vezes mais altos do que os humanos podem ouvir, em um dispositivo resfriado a temperaturas muito próximas do zero absoluto. Em vez de alto-falantes e microfones para criar e ouvir o som, a equipe usou qubits , que armazenam bits quânticos de informação ( SN: 2/9/21 ). Os pesquisadores lançaram um fônon de um qubit para outro qubit. Ao longo do caminho, o fônon encontrou um divisor de feixe.
Ajustar os parâmetros da configuração modificou a maneira como as porções refletidas e transmitidas do fônon interagem umas com as outras. Isso permitiu que os pesquisadores alterassem mecanicamente as chances de todo o fônon voltar ao qubit que lançou o fônon ou ao qubit do outro lado do divisor de feixe.
Um segundo experimento confirmou o comportamento mecânico quântico dos fônons enviando fônons de dois qubits para um divisor de feixe entre eles. Por conta própria, cada fônon poderia terminar no qubit de onde veio ou no lado oposto do divisor de feixe.
Se os fônons foram programados para chegar ao divisor de feixe exatamente ao mesmo tempo, porém, eles viajam juntos para seu destino final. Ou seja, eles ainda vão imprevisivelmente para um qubit ou outro, mas sempre acabam no mesmo qubit quando os dois fônons atingem o divisor de feixe simultaneamente.
Se os fônons seguissem as regras clássicas e não quânticas para o som, não haveria correlação para onde os dois fônons vão depois de atingir o divisor de feixe. O efeito poderia servir como base para blocos de construção fundamentais em computadores quânticos conhecidos como portões.
“O próximo passo lógico neste experimento é demonstrar que podemos fazer uma porta quântica com fônons”, diz Cleland. “Essa seria uma porta na montagem de portas que você precisa para fazer um cálculo real.”
Os dispositivos baseados em som provavelmente não superarão os computadores quânticos que usam fótons ( SN: 14/02/18 ). Mas os fônons podem levar a novas aplicações quânticas, diz Andrew Armour, físico da Universidade de Nottingham, na Inglaterra, que não participou do estudo.
“Provavelmente não está tão claro quais são esses [aplicativos] no momento”, diz Armour. “O que você está fazendo é estender a caixa de ferramentas [quântica]…. As pessoas vão construir sobre ele, e vai continuar, e não há sinal de que vai parar tão cedo.”
