Mesmo no mundo das menores partículas com suas próprias regras especiais, as coisas não podem acontecer infinitamente rápido. Os físicos da Universidade de Bonn mostraram agora qual é o limite de velocidade para operações quânticas complexas. O estudo também envolveu cientistas do MIT, das universidades de Hamburgo, Colônia e Pádua, e do Centro de Pesquisa Jülich. Os resultados são importantes para a realização de computadores quânticos, entre outras coisas. Eles são publicados na prestigiosa revista Physical Review X e cobertos pela Physics Magazine da American Physical Society.
Suponha que você observe um garçom (o bloqueio já é história) que na véspera de Ano Novo tem que servir uma bandeja inteira de taças de champanhe poucos minutos antes da meia-noite. Ele corre de convidado em convidado em alta velocidade. Graças à sua técnica, aperfeiçoada ao longo de muitos anos de trabalho, consegue no entanto não derramar nem uma gota do precioso líquido.
Um pequeno truque o ajuda a fazer isso: enquanto o garçom acelera os passos, ele inclina um pouco a bandeja para que o champanhe não escorra das taças. No meio do caminho para a mesa, ele o inclina na direção oposta e diminui a velocidade. Só quando ele para por completo é que o segura de novo.
Os átomos são, em alguns aspectos, semelhantes ao champanhe. Eles podem ser descritos como ondas de matéria, que se comportam não como uma bola de bilhar, mas mais como um líquido. Qualquer pessoa que queira transportar átomos de um lugar para outro o mais rápido possível deve, portanto, ser tão hábil quanto o garçom na véspera do Ano Novo. “E mesmo assim, há um limite de velocidade que esse transporte não pode ultrapassar”, explica a Dra. Andrea Alberti, que conduziu este estudo no Instituto de Física Aplicada da Universidade de Bonn.
Átomo de césio como substituto do champanhe
Em seu estudo, os pesquisadores investigaram experimentalmente exatamente onde está esse limite. Eles usaram um átomo de césio como substituto do champanhe e dois feixes de laser perfeitamente sobrepostos, mas direcionados um contra o outro como uma bandeja. Essa superposição, chamada de interferência pelos físicos, cria uma onda estacionária de luz: uma sequência de montanhas e vales que inicialmente não se movem. “Carregamos o átomo em um desses vales e, em seguida, colocamos a onda estacionária em movimento – isso deslocou a posição do próprio vale”, diz Alberti. “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.”
O fato de haver um limite de velocidade no microcosmo já foi teoricamente demonstrado por dois físicos soviéticos, Leonid Mandelstam e Igor Tamm, há mais de 60 anos. Eles mostraram que a velocidade máxima de um processo quântico depende da incerteza energética, ou seja, o quão “livre” a partícula manipulada é em relação aos seus possíveis estados de energia: quanto mais liberdade energética ela tem, mais rápido ela é. No caso do transporte de um átomo, por exemplo, quanto mais fundo o vale no qual o átomo de césio está aprisionado, mais espalhadas são as energias dos estados quânticos no vale e, em última análise, mais rápido o átomo pode ser transportado. Algo semelhante pode ser visto no exemplo do garçom: Se ele só encher os copos pela metade (para desgosto dos convidados), ele corre menos risco de que o champanhe derrame enquanto ele acelera e desacelera. No entanto, a liberdade energética de uma partícula não pode ser aumentada arbitrariamente. “Não podemos tornar nosso vale infinitamente profundo – isso nos custaria muita energia”, enfatiza Alberti.
Me irradie, Scotty!
O limite de velocidade de Mandelstam e Tamm é um limite fundamental. No entanto, só se pode alcançá-lo em certas circunstâncias, nomeadamente em sistemas com apenas dois estados quânticos. “No nosso caso, por exemplo, isso acontece quando o ponto de origem e o destino são muito próximos”, explica o físico. “Então, as ondas de matéria do átomo em ambos os locais se sobrepõem, e o átomo poderia ser transportado diretamente para seu destino de uma vez, isto é, sem nenhuma parada no meio – quase como o teletransporte na nave estelar Enterprise de Star Trek.”
No entanto, a situação é diferente quando a distância aumenta para várias dezenas de larguras de onda de matéria, como no experimento de Bonn. Para essas distâncias, o teletransporte direto é impossível. Em vez disso, a partícula deve passar por vários estados intermediários para chegar ao seu destino final: O sistema de dois níveis torna-se um sistema de vários níveis. O estudo mostra que se aplica a tais processos um limite de velocidade inferior ao previsto pelos dois físicos soviéticos: é determinado não apenas pela incerteza energética, mas também pelo número de estados intermediários. Desta forma, o trabalho melhora a compreensão teórica de processos quânticos complexos e suas restrições.
As descobertas dos físicos são importantes não apenas para a computação quântica. Os cálculos possíveis com computadores quânticos baseiam-se principalmente na manipulação de sistemas de vários níveis. Os estados quânticos são muito frágeis, no entanto. Eles duram apenas um curto lapso de tempo, que os físicos chamam de tempo de coerência. Portanto, é importante empacotar tantas operações computacionais quanto possível neste tempo. “Nosso estudo revela o número máximo de operações que podemos realizar no tempo de coerência”, explica Alberti. “Isso torna possível fazer um uso otimizado dele.”
Publicado em 20/02/2021 16h23
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