MADRID, 17 set. (EUROPA PRESS) -
Uma equipe da Universidade de Stanford (Estados Unidos) documentou a primeira observação direta de saltos quânticos de som em um ressonador mecânico, completando assim um ciclo de pesquisa científica que teve início há mais de cem anos. As descobertas foram publicadas na revista “Science”.
Os saltos quânticos, ou seja, transições repentinas de um estado energético para outro, são objeto de teorias desde o início do século XX. Os cientistas demonstraram esses saltos pela primeira vez em íons aprisionados em 1986 e, posteriormente, em fótons — as partículas fundamentais da luz —, em 2007. A observação de saltos quânticos no som havia sido difícil até então, mas uma equipe liderada pelo físico de Stanford, Amir Safavi-Naeini, registrou esses fenômenos.
“O que este estudo demonstra nos permitirá avançar no desenvolvimento de novas tecnologias quânticas baseadas no som”, destaca Safavi-Naeini, professor associado de física aplicada na Faculdade de Ciências Humanas e Ciências da Universidade de Stanford. “Observamos que objetos vibrantes podem apresentar um comportamento quântico, requisito indispensável para muitas das operações necessárias na computação e na detecção quânticas”.
Enquanto uma unidade quântica de luz — sua menor parte discreta possível — é um único fóton, uma unidade quântica de som, ou “fonão”, representa o movimento coordenado de um grande grupo de átomos.
Para os sentidos humanos, a vibração sonora, como a observada em um sino, parece diminuir gradualmente em vez de cessar abruptamente. No entanto, no nível quântico, a energia vibracional de um ressonador muda em passos discretos, ou saltos, semelhantes ao comportamento quântico de íons e fótons. Experimentos anteriores haviam encontrado evidências desses saltos, mas este estudo é o primeiro a demonstrar que fônons individuais realizam saltos quânticos em tempo real.
O ressonador mecânico foi fabricado utilizando técnicas de fabricação de chips. Ele é tão pequeno que vários ressonadores poderiam ser integrados em um único chip para realizar funções complexas.
A duração da vibração do ressonador foi o que tornou possível esse avanço. Funcionando de maneira semelhante a um diapasão microscópico, o ressonador pode vibrar por dois milissegundos. Em comparação, se um diapasão de tamanho normal tivesse a mesma capacidade, ele vibraria por várias horas.
O longo tempo de ressonância, ou “tempo de amortecimento”, do ressonador permitiu que centenas de leituras fossem feitas para determinar o momento em que a vibração cessou e o som saltou — quando passou de um estado de energia 1 para 0.
Para realizar esse experimento, os pesquisadores tiveram que superar um desafio constante na engenharia quântica: como obter um sinal de um sistema quântico sem perturbar seu estado frágil.
Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de combinar o ressonador mecânico microscópico com um qubit supercondutor, um circuito elétrico capaz de armazenar informações quânticas e servir como detector. “Tivemos que desenvolver continuamente novos processos para criar esse objeto vibrante com vida extremamente longa e, em seguida, integrá-lo ao qubit, que é nosso pequeno detector elétrico, sem danificar nenhum dos dois subsistemas”, explicam.
O qubit consegue ler o que ocorre no ressonador mecânico, verificando repetidamente, durante os dois milissegundos de vibração, se o fônon em seu interior se encontra em um nível de energia 1 ou 0. É assim que os pesquisadores conseguem registrar o momento em que ocorre um salto quântico.
Este estudo representa um primeiro passo fundamental, mas a capacidade de detectar saltos quânticos no som poderia levar a inúmeros avanços. Poderia ajudar a resolver o problema da correção de erros na computação quântica, por exemplo. Embora a computação quântica tenha um grande potencial para lidar com alguns cálculos complexos que ultrapassam a capacidade dos computadores tradicionais, os frágeis estados quânticos podem causar erros antes que um cálculo seja concluído. Em muitas arquiteturas de computação quântica, um salto quântico representa um erro, mas identificar quando eles ocorrem tem sido difícil. Portanto, a capacidade de detectar saltos quânticos no som representa um passo importante rumo à correção de erros.
Devido ao seu tamanho reduzido e alta sensibilidade, a combinação de ressonador mecânico e qubit também poderia ser utilizada para detecção de alta precisão. Por exemplo, a equipe de Safavi-Naeini, em colaboração com a equipe do físico Michael Roukes na Caltech (Estados Unidos), já está explorando o uso dessa plataforma para detectar e identificar proteínas dentro das células.
As tecnologias do dia a dia também poderiam se beneficiar. O som é fundamental para smartphones e muitos outros dispositivos, e esse avanço pode ser um passo em direção à próxima geração desses aparelhos, afirmou Szakiel, aluno de doutorado no laboratório de Safavi-Naeini.
“Isso demonstra que podemos ter um controle incrivelmente preciso do som, o que pode significar que os dispositivos que utilizam o som como tecnologia fundamental podem melhorar muito”, concluem os autores.
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