Tecnologias quânticas, incluindo sensores avançados e futuros computadores quânticos, dependem do entrelaçamento — aquela conexão assustadora onde partículas se influenciam de maneiras que dariam dor de cabeça a qualquer físico clássico. Criar esses estados quânticos sofisticados tradicionalmente exigiu equipamentos sofisticados e sistemas experimentais cuidadosamente projetados, porque nada que vale a pena na física vem fácil.
Pesquisadores da Pritzker School of Molecular Engineering da Universidade de Chicago (UChicago PME) agora propuseram uma abordagem muito mais simples. Seu novo método teórico pode gerar e controlar uma ampla gama de estados quânticos entrelaçados usando ferramentas que já são comuns em muitos laboratórios de física quântica. O trabalho, publicado na Physical Review X, pode ajudar a avançar a detecção quântica ultra precisa e abrir novas oportunidades para explorar a física fundamental.
“Queríamos pegar ingredientes simples que você encontra em muitas plataformas físicas e juntá-los de forma mínima para obter algo interessante, complexo e poderoso”, disse Aashish Clerk, professor de engenharia molecular na UChicago PME e autor sênior do novo estudo. A pesquisa foi apoiada pela Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA (DOE) liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do DOE.
A abordagem da equipe é baseada na eletrodinâmica quântica de cavidade (cavidade QED), onde átomos são colocados dentro de uma cavidade óptica — dois espelhos que prendem a luz entre eles. As partículas então interagem com a luz confinada. O problema? Em muitos sistemas de cavidade QED, todos os átomos interagem com a luz exatamente da mesma maneira, tornando-os efetivamente indistinguíveis e restringindo a gama de estados quânticos que podem ser produzidos.
“O desafio sempre foi que esses sistemas têm muita simetria”, disse Clerk. “Todos os átomos estão falando com a luz da mesma maneira. Isso realmente restringe que tipo de estados entrelaçados você obtém.”
Os pesquisadores encontraram uma correção direta: enquanto todos os átomos continuam sendo impulsionados pelo mesmo laser, lasers adicionais ou campos magnéticos deslocam as energias dos estados excitados de diferentes grupos de átomos. Cada átomo é emparelhado com outro que tem um deslocamento de energia igual, mas oposto. Essa modificação simples quebra a simetria enquanto mantém o sistema controlável e previsível. Ao ajustar quais átomos recebem deslocamentos de energia específicos, os cientistas podem sintonizar o sistema para produzir uma variedade de estados entrelaçados sem alterar o hardware.
“Você liga esses lasers e espera, e em algum momento o sistema se estabiliza em um estado quântico interessante e altamente entrelaçado”, disse Anjun Chu, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Clerk e primeiro autor do novo trabalho. “Simplesmente ajustando os lasers, podemos acessar tipos de estados entrelaçados que ninguém havia pensado antes.”
Uma aplicação promissora é a detecção quântica. Estados quânticos entrelaçados podem detectar diferenças minúsculas em campos magnéticos ou gravitacionais entre locais separados. No entanto, desenvolver estados que sejam altamente sensíveis e resistentes a ruídos tem sido um grande desafio. Os pesquisadores demonstraram que uma versão do seu sistema com dois grupos de átomos poderia medir gradientes de campo — quando os dois conjuntos atômicos são colocados em locais diferentes, o estado quântico resultante reflete a diferença entre campos magnéticos ou gravitacionais locais, enquanto rejeita o ruído de fundo que afeta ambos os locais igualmente.
“Você é capaz de fazer duas coisas que normalmente não são compatíveis entre si: usar entrelaçamento para construir um sensor extremamente sensível, mas também ter robustez a quantidades arbitrariamente grandes de ruído”, disse Clerk. “Normalmente, o entrelaçamento é muito frágil. Esta abordagem tem uma resiliência incrível.”
Outra vantagem: a informação armazenada nesses estados quânticos pode ser extraída usando técnicas padrão de medição Ramsey, eliminando a necessidade de métodos especializados. Os pesquisadores também mostraram que a mesma plataforma pode gerar