Pesadas e difíceis de manipular, as moléculas há muito desafiam as tentativas dos físicos de atraí-las para um estado de emaranhamento quântico controlado, em que as moléculas estão intimamente ligadas, mesmo à distância.

Agora, pela primeira vez, duas equipes distintas conseguiram emaranhar pares de moléculas ultrafrias usando o mesmo método: “armadilhas de pinça” ópticas microscopicamente precisas.

O emaranhamento quântico é um fenômeno bizarro, mas fundamental, do reino quântico que os físicos estão tentando explorar para criar os primeiros computadores quânticos comerciais.

Todos os objetos – de elétrons a átomos, moléculas e até mesmo galáxias inteiras – podem teoricamente ser descritos como um espectro de possibilidades antes de serem observados. É somente medindo uma propriedade que a roda do acaso estabelece uma descrição clara.

Se dois objetos estão emaranhados, saber algo sobre as propriedades de um objeto – seu giro, posição ou momento – atua instantaneamente como uma medida no outro, parando completamente ambas as rodas giratórias de possibilidade.

Até agora, os pesquisadores conseguiram emaranhar íons, fótons, átomos e circuitos supercondutores presos em experimentos de laboratório. Há três anos, por exemplo, uma equipe emaranhou bilhões de átomos num gás “quente e confuso”. Impressionante, mas não muito prático.

Os físicos também já emaranharam um átomo e uma molécula antes, e até mesmo complexos biológicos encontrados em células vegetais. Mas controlar e manipular pares de moléculas individuais – com precisão suficiente para fins de computação quântica – tem sido uma tarefa mais difícil.

As moléculas são difíceis de resfriar e interagem prontamente com o ambiente, o que significa que elas facilmente saem de estados frágeis emaranhados quânticos (o que é conhecido como decoerência).

Um exemplo dessas interações são as interações dipolo-dipolo: a maneira como a extremidade positiva de uma molécula polar pode ser puxada em direção à extremidade negativa de outra molécula.

Mas essas mesmas propriedades também tornam as moléculas candidatas promissoras para qubits na computação quântica porque oferecem novas possibilidades de computação.

“Seus estados rotacionais moleculares de longa duração formam qubits robustos, enquanto a interação dipolar de longo alcance entre as moléculas fornece emaranhamento quântico”, explica o físico Yicheng Bao e colegas da Universidade de Harvard, em seu artigo.

Qubits são a versão quântica dos bits de computação clássicos, que podem assumir o valor 0 ou 1. Os qubits, por outro lado, podem representar inúmeras combinações possíveis de 1 e 0 ao mesmo tempo.

Ao emaranhar qubits, seu desfoque quântico combinado de 1’s e 0’s pode funcionar como calculadoras rápidas em algoritmos especialmente projetados.

As moléculas, sendo entidades mais complexas do que átomos ou partículas, têm mais propriedades inerentes, ou estados, que poderiam ser persuadidos a se acoplar para formar um qubit.

“O que isto significa, em termos práticos, é que existem novas formas de armazenar e processar informação quântica”, diz Yukai Lu, estudante de graduação em engenharia elétrica e de computação na Universidade de Princeton, coautor do segundo estudo.

“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.”

Ambas as equipes geraram moléculas ultra-frias de monofluoreto de cálcio (CaF) e depois as prenderam, uma por uma, em pinças ópticas.

Usando esses feixes de luz laser bem focados, as moléculas foram posicionadas em pares, próximas o suficiente para que uma molécula de CaF pudesse sentir a interação dipolar elétrica de longo alcance de seu parceiro. Isto fez com que cada par de moléculas se ligasse num estado quântico emaranhado quando, não muito antes, eram estranhos.

O método, com a sua manipulação precisa de moléculas individuais, “abre caminho para o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para tecnologias quânticas”, escreve Augusto Smerzi, físico do Conselho Nacional de Investigação de Itália, numa perspectiva de acompanhamento.

Smerzi não esteve envolvido na pesquisa, mas vê o seu potencial. Ao aproveitar as interações dipolares das moléculas, ele diz que o sistema poderá um dia ser usado para desenvolver sensores quânticos supersensíveis, capazes de detectar campos elétricos ultrafracos.

“As aplicações vão desde a eletroencefalografia para medir a atividade elétrica no cérebro até o monitoramento de mudanças nos campos elétricos na crosta terrestre para previsões de terremotos”, especula ele.

Os dois estudos foram publicados na Science, aqui e aqui.

Publicado no ScienceAlert