Físicos ‘Emaranham’ Moléculas Individuais com Precisão Impressionante
Moléculas, com sua natureza grande e complexa, sempre foram um desafio para físicos que buscam induzi-las a um estado de emaranhamento quântico. Neste estado, elas permanecem intimamente conectadas, mesmo separadas por distâncias consideráveis.
Recentemente, dois grupos de pesquisa, trabalhando independentemente, alcançaram um marco significativo. Eles conseguiram emaranhar pares de moléculas ultrafrias, utilizando um método inovador que envolve o uso de armadilhas ópticas extremamente precisas, conhecidas como ‘pinças ópticas’.
O emaranhamento quântico, um fenômeno estranho, porém fundamental no mundo quântico, está sendo estudado por cientistas com o objetivo de desenvolver os primeiros computadores quânticos comerciais.
Teoricamente, qualquer coisa, desde elétrons e átomos até moléculas e galáxias inteiras, pode ser representada por um espectro de possibilidades até que sejam observadas. É o ato da observação que converte essas probabilidades em um estado definido.
No caso de duas entidades emaranhadas, compreender um aspecto de uma – como seu spin, posição ou momento – imediatamente afeta a outra, estabilizando os estados incertos de ambas.
Até então, cientistas já haviam conseguido emaranhar íons aprisionados, fótons, átomos e circuitos supercondutores em ambientes laboratoriais. Há três anos, por exemplo, um grupo conseguiu emaranhar trilhões de átomos em um gás ‘quente e caótico’, uma conquista notável, mas de utilidade limitada.
Físicos também conseguiram emaranhar um átomo com uma molécula e até estruturas biológicas em células vegetais. Contudo, controlar e manipular pares individuais de moléculas com a precisão necessária para a computação quântica tem sido um desafio maior.
Moléculas são difíceis de resfriar e tendem a interagir com seu entorno, fazendo com que percam facilmente seus delicados estados de emaranhamento quântico, um processo conhecido como decoerência.
Um exemplo dessas interações é a interação dipolo-dipolo, onde a extremidade positiva de uma molécula polar é atraída para a extremidade negativa de outra.
Essas mesmas características, no entanto, tornam as moléculas candidatas promissoras para qubits em computação quântica, oferecendo novas possibilidades de cálculo.
“Seus estados rotacionais moleculares de longa duração formam qubits robustos, enquanto a interação dipolar de longo alcance entre as moléculas promove o emaranhamento quântico,” explicam Yicheng Bao, físico da Universidade de Harvard, e sua equipe em seu estudo.
Qubits são a versão quântica dos bits da computação clássica, capazes de assumir valores de 0 ou 1. Qubits, por outro lado, podem representar várias combinações de 1s e 0s simultaneamente.
Ao emaranhar qubits, seus estados quânticos combinados de 1s e 0s podem funcionar como processadores rápidos em algoritmos especializados.
Moléculas, por serem entidades mais complexas do que átomos ou partículas, possuem mais propriedades ou estados inerentes, que podem ser explorados para formar um qubit.
“Isso se traduz em novos métodos para armazenar e manipular informações quânticas,” afirma Yukai Lu, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e computação na Universidade de Princeton, que coautorou o segundo estudo.
“Por exemplo, uma molécula pode vibrar e girar em vários modos. Assim, 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 ultrafrias de monofluoreto de cálcio (CaF) e as aprisionaram, uma a uma, em pinças ópticas.
Usando esses feixes de luz laser altamente concentrados, as moléculas foram posicionadas em pares, suficientemente próximas para que uma molécula de CaF pudesse detectar a interação dipolar elétrica de longo alcance de sua parceira. Isso resultou em cada par de moléculas entrando em um estado quântico emaranhado, quando anteriormente eram desconhecidas uma da outra.
Este método, com seu controle meticuloso de moléculas individuais, “abre caminho para o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para tecnologias quânticas,” escreve Augusto Smerzi, físico do Conselho Nacional de Pesquisas da Itália, em um comentário acompanhante.
Smerzi, que não participou da pesquisa, reconhece seu potencial. Aproveitando as interações dipolares das moléculas, ele sugere que o sistema poderia ser usado no futuro para desenvolver sensores quânticos super-sensíveis, capazes de detectar campos elétricos extremamente fracos.
“Essas aplicações podem variar desde eletroencefalografia para medir a atividade elétrica no cérebro até o monitoramento de alterações nos campos elétricos da crosta terrestre para previsões de terremotos,” ele especula. [Science Alert]
