Estudo de Oxford revela novo movimento quântico com um único ião aprisionado

Um novo estudo concluiu que um único átomo aprisionado pode gerar uma forma de movimento quântico que nunca tinha sido observada.

Este resultado dá aos físicos uma nova forma de comandar comportamentos quânticos extremamente delicados, abrindo caminho para computadores quânticos com maiores capacidades.

Um ião aprisionado

No interior de um único átomo carregado, mantido praticamente imóvel por campos eléctricos, um efeito até aqui oculto tornou-se visível sob a forma de movimento mensurável.

Ao orientar esse movimento com lasers, a Dra. Oana Băzăvan, física na Universidade de Oxford, demonstrou a quadricompressão - uma forma rara de compressão quântica de quarta ordem - juntamente com duas versões mais simples do mesmo fenómeno.

O estado quântico criado - construído a partir de quatro unidades de movimento interligadas, em vez das duas habituais - apareceu a uma velocidade mais de 100 vezes superior à que seria possível com a excitação convencional por laser.

Essa rapidez é crucial porque o movimento quântico, por ser frágil, pode desaparecer antes de métodos mais lentos conseguirem terminar a construção do estado.

Compressão e movimento quântico

Em muitos sistemas quânticos, o movimento ocorre em degraus regulares, e os físicos descrevem-no como um oscilador harmónico quântico - um sistema minúsculo com níveis de energia igualmente espaçados.

A compressão comum - uma forma de redistribuir a incerteza quântica - altera o compromisso entre posição e quantidade de movimento, tornando uma variável mais definida e a outra mais incerta.

Um tipo semelhante de compressão já ajudou o Observatório de Interferometria Laser para Ondas Gravitacionais (LIGO) - um detector norte-americano de ondas gravitacionais - a obter medições mais limpas.

O resultado de Oxford vai além desta troca familiar “a duas vias” e começa a moldar movimentos de ordem superior, que poderão ser necessários em computação quântica.

Forças que não concordam

Em vez de construírem um dispositivo especial, os investigadores combinaram duas forças de laser controladas a actuar sobre o mesmo ião.

Cada força empurrava o movimento do ião de forma simples, mas a ordem com que eram aplicadas em conjunto alterava o resultado final.

Em física, isto chama-se não comutatividade: fazer A e depois B pode não ser igual a fazer B e depois A.

“Desta vez, fizemos o contrário e usámos essa característica para gerar interacções quânticas mais fortes”, disse Băzăvan.

Subir a ordens mais elevadas

Ao alterar as frequências dos lasers, o mesmo equipamento conseguiu avançar da compressão quântica comum para uma versão mais complexa, envolvendo três componentes.

Com um ajuste maior, foi gerado um estado ainda mais sofisticado, que ligava quatro componentes do movimento do átomo numa única interacção controlada.

Forçar directamente este tipo de comportamento tende a perder intensidade rapidamente à medida que a ordem aumenta, pelo que o ruído pode encobrir o sinal.

O método de Oxford evitou grande parte dessa perda ao recorrer ao momento angular intrínseco do ião, uma propriedade quântica com duas configurações internas controláveis.

Ver a forma

Para validar os estados obtidos, a equipa reconstruiu o movimento quântico do ião a partir de muitas medições cuidadosas.

O resultado foi uma função de Wigner - uma representação matemática que combina, no mesmo retrato, informação de posição e quantidade de movimento.

As versões de segunda, terceira e quarta ordem produziram padrões distintos, de acordo com simulações baseadas em parâmetros medidos de forma independente.

Estes padrões deram mais força ao experimento do que um único valor numérico, porque cada estado apresentava uma “forma” mensurável diferente.

Porque a forma importa

Estados de ordem superior são importantes porque se comportam de maneiras que estados quânticos comuns não exibem, criando padrões que cálculos padrão não reproduzem facilmente.

Essa forma invulgar fornece às máquinas quânticas operações que a compressão convencional e o movimento básico não conseguem oferecer.

A computação quântica de variáveis contínuas armazena informação em valores quânticos que mudam continuamente, em vez de estados simples de ligado/desligado, e depende destes efeitos quânticos pouco usuais para executar todo o seu conjunto de operações.

Sem essas ferramentas, partes do sistema continuam a ser fáceis de imitar por computadores clássicos.

Não é um computador

Um único ião aprisionado não consegue executar um computador quântico útil, e a experiência de Oxford não afirmou o contrário.

O ião funcionou como um banco de ensaio muito limpo, onde o movimento e o momento angular intrínseco podiam ser controlados com uma precisão temporal invulgar.

Ainda assim, interferências de fundo enfraqueceram algumas das assinaturas mais nítidas do comportamento quântico invulgar nos estados de ordem elevada mais fracos. Por agora, o resultado demonstra controlo, não um processador pronto a usar.

Uma receita flexível

Anos antes desta demonstração, uma proposta de 2021 traçou um percurso baseado em interacções entre o momento angular intrínseco e o movimento. Estas interacções ligam a configuração interna do ião ao seu deslocamento, dando aos físicos uma forma de conduzir efeitos mais ricos.

Ao ajustar o desvio de sintonia - um pequeno afastamento em relação a uma frequência alvo - a equipa escolheu qual a interacção que surgia.

Essa capacidade de ajuste torna o método atractivo para além de um único ião, desde que movimento adicional não introduza demasiado ruído.

Importância do movimento quântico

Escalar a abordagem significaria controlar vários modos de movimento, ou seja, formas distintas pelas quais o ião aprisionado se pode mover.

Com vários modos, os investigadores poderiam criar interacções úteis para simulação, detecção e informação quântica resistente a erros.

O mesmo controlo do momento angular intrínseco também pode ajudar a preparar estados quânticos especiais - padrões cuidadosamente organizados de comportamento quântico - durante um cálculo, em vez de apenas antes de ele começar.

“Fundamentalmente, demonstrámos um novo tipo de interacção que nos permite explorar a física quântica em território inexplorado, e estamos genuinamente entusiasmados com as descobertas que se avizinham”, afirmou o Dr. Raghavendra Srinivas, físico no Departamento de Física de Oxford e supervisor do estudo.

Um controlo mais firme

Com um único ião, os físicos conseguiram um controlo mais apurado sobre comportamentos quânticos de ordem elevada, transformando forças que “discordam” em movimento controlado.

Esse controlo só será decisivo se sistemas futuros mantiverem a vantagem de velocidade ao acrescentarem mais partículas, mais modos e mais verificações.