Em um novo estudo, pesquisadores de Stanford demonstram como manipular a¡tomos para que eles interajam com um grau de controle sem precedentes. Usando campos magnanãticos e de luz entregues com precisão, os pesquisadores programaram uma linha reta de a¡tomos em formas semelhantes a a¡rvores, um laa§o torcido chamado tira de Ma¶bius e outros padraµes.

Essas formas foram produzidas não movendo fisicamente os a¡tomos, mas controlando a maneira como os a¡tomos trocampartículas e “sincronizam” para compartilhar certas propriedades. Ao manipular cuidadosamente essas interações, os pesquisadores podem gerar uma vasta gama de geometrias. a‰ importante ressaltar que eles descobriram que os a¡tomos nas extremidades da linha reta podem ser programados para interagir tão fortemente quanto os a¡tomos localizados pra³ximos uns dos outros no centro da linha. Para o conhecimento dos pesquisadores, a capacidade de programar interações não-locais nesse grau, independentemente das localizações espaciais reais dos a¡tomos, nunca havia sido demonstrada antes.

As descobertas podem ser um passo fundamental no desenvolvimento de tecnologias avana§adas para computação e simulação com base nas leis da meca¢nica qua¢ntica osa descrição matemática de como aspartículas se movem e interagem em escala atômica.

“Neste artigo, demonstramos umníveltotalmente novo de controle sobre a programabilidade das interações em um sistema de meca¢nica qua¢ntica”, disse a autora saªnior do estudo Monika Schleier-Smith , Nina C. Crocker Faculty Scholar e professora associada do Departamento de Fa­sica na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford . “a‰ um marco importante para o qual trabalhamos hámuito tempo e, ao mesmo tempo, éum ponto de partida para novas oportunidades.”

O estudo foi publicado em 22 de dezembro na revista Nature .

Dois estudantes de pós-graduação, Avikar Periwal e Eric Cooper, bem como um bolsista de pa³s-doutorado, Philipp Kunkel, são coautores principais do artigo. Periwal, Cooper e Kunkel são pesquisadores do laboratório de Schleier-Smith em Stanford.

“Avikar, Eric e Philipp trabalharam muito bem juntos como uma equipe na execução dos experimentos, criando maneiras inteligentes de analisar e visualizar os dados e desenvolver os modelos teóricos”, disse Schleier-Smith. “Estamos todos muito empolgados com esses resultados.”

“Escolhemos algumas geometrias simples, como ananãis e cadeias desconectadas, apenas como prova de princa­pio, mas também formamos geometrias mais complexas, incluindo estruturas em forma de escada e interações em forma de a¡rvore, que tem aplicações para abrir problemas em física”, Periwal, Cooper e Kunkel disse em uma declaração do grupo.

Periwal, Cooper, Kunkel e colegas realizaram experimentos para o estudo em aparelhos conhecidos como mesas a³pticas, um par dos quais domina o espaço no laboratório de Schleier-Smith. As mesas são inseridas com conjuntos intrincados de componentes eletra´nicos amarrados por fios multicoloridos. No centro de uma mesa a³ptica estãouma ca¢mara de va¡cuo, consistindo de um cilindro meta¡lico cravejado de janelas de vigia. Uma bomba expele todo o ar desta ca¢mara para que nenhum outro a¡tomo possa perturbar os pequenos grupos de a¡tomos de ruba­dio cuidadosamente colocados dentro dela. Os pesquisadores de Stanford enviaram lasers para esta ca¢mara sem ar para prender os a¡tomos de ruba­dio, retardando o movimento dos a¡tomos e resfriando-os atéo zero absoluto osa temperatura mais baixa teoricamente possí­vel onde o movimento daspartículas chega a uma paralisação virtual.

A luz brilhante atravanãs dos grupos de a¡tomos dessa maneira também serve como um meio de fazer com que os a¡tomos “falem” uns com os outros. Amedida que a luz atinge cada a¡tomo, ela transmite informações entre eles, gerando padraµes chamados “correlações”, em que cada a¡tomo compartilha uma certa propriedade meca¢nica qua¢ntica desejada. Um exemplo de propriedade da meca¢nica qua¢ntica éo momento angular total, conhecido como spin de um a¡tomo e que pode ter valores de, por exemplo, +1, 0 ou –1.

Pesquisadores em Stanford e em outros lugares correlacionaram redes atômicas antes de usar sistemas de a¡tomos resfriados a laser, mas, atérecentemente, apenas dois tipos ba¡sicos de redes atômicas podiam ser feitos. Em uma, chamada de rede tudo-para-todos, cada a¡tomo fala com todos os outros a¡tomos. O segundo tipo de rede opera no que éconhecido como princa­pio do vizinho mais pra³ximo, onde os a¡tomos suspensos por laser interagem mais fortemente com os a¡tomos adjacentes.

Neste novo estudo, os pesquisadores de Stanford lana§am um manãtodo muito mais dina¢mico que transmite informações sobre distâncias especa­ficas entre grupos discretos de a¡tomos. Dessa forma, a localização espacial não importa, e um conjunto muito mais rico de correlações pode ser programado.

“Com uma rede de todos para todos, écomo se eu estivesse enviando um boletim mundial para todos, enquanto em uma rede vizinha mais próxima, écomo se estivesse falando apenas com a pessoa que mora ao lado”, disse Schleier-Smith . “Com a programabilidade que demonstramos agora em nosso laboratório, écomo se eu pegasse um telefone e discasse para a pessoa exata com quem quero falar localizada em qualquer lugar do mundo.”

Os pesquisadores conseguiram criar essas interações e correlações não-locais controlando as frequências de luz que brilhavam nos cachos presos de a¡tomos de ruba­dio e variando a força de um campo magnético aplicado na mesa a³ptica. Amedida que o campo magnético aumentava de intensidade de uma extremidade da ca¢mara de va¡cuo a  outra, fazia com que cada grupo de a¡tomos ao longo da linha girasse um pouco mais rápido do que o grupo anterior vizinho. Embora cada cacho ata´mico tivesse uma taxa de rotação única, de vez em quando, certos cachos chegavam periodicamente a  mesma orientação - mais ou menos como uma fileira de rela³gios com ponteiros progressivamente girando mais rápido ainda laª momentaneamente os mesmos tempos. Os pesquisadores usaram a luz para ativar e medir seletivamente as interações entre essas nuvens atômicas momentaneamente sincronizadas.

“A capacidade de gerar e controlar esses tipos de interações não locais époderosa”, acrescentou Schleier-Smith. “Isso muda fundamentalmente a maneira como a informação pode viajar e os sistemas qua¢nticos que podemos projetar”.

Uma das muitas aplicações do trabalho da equipe de Stanford éa elaboração de algoritmos de otimização para computadores qua¢nticos osma¡quinas que dependem das leis da meca¢nica qua¢ntica para processar números. A computação qua¢ntica tem aplicações em inteligaªncia artificial, aprendizado de ma¡quina, segurança cibernanãtica, modelagem financeira, desenvolvimento de medicamentos, previsão demudanças climáticas, otimização de loga­stica e programação. Por exemplo, algoritmos qua¢nticos adaptados para computadores podem resolver problemas de agendamento com eficiência, encontrando as rotas mais curtas possa­veis para entregas ou agendamento ideal de aulas universita¡rias para que o maior número de alunos possa participar.

Outra aplicação altamente promissora étestar teorias da gravidade qua¢ntica. As formas em forma de a¡rvore neste estudo foram expressamente projetadas para esse propa³sito - elas servem como modelos ba¡sicos de Espaço-tempo curvados por um novo conceito hipotanãtico de gravidade baseado em princa­pios da meca¢nica qua¢ntica que renovariam nossa compreensão da gravidade, conforme descrito na teoria da relatividade de Albert Einstein . Uma abordagem semelhante também pode ser aplicada para investigar os objetos ca³smicos ultradensos e que aprisionam a luz chamados buracos negros.

Schleier-Smith e seus colegas estãoagora trabalhando para mostrar que seus experimentos podem produzir emaranhamento qua¢ntico, onde os estados qua¢nticos entre os a¡tomos são correlacionados de uma maneira que pode ser aproveitada para aplicações que variam de sensores ultraprecisos a  computação qua¢ntica.

“Fizemos muitos progressos com este estudo e estamos procurando aprimora¡-lo”, disse Schleier-Smith. “Nosso trabalho demonstra um novonívelde controle que pode ajudar a preencher a lacuna, em várias áreas da física, entre ideias tea³ricas elegantes e experimentos reais.”