Grupo do IFSC dedica-se à busca do estado quântico puro da matéria

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Com informações da Assessoria de Comunicação do IFSC

Foto: Wikimedia Commons
Computadores atuais, que têm comandos determinados pela linguagem binária de 1 ou 0, na computação quântica têm uma nova possibilidade: 1 e 0

Alguns anos atrás, termos como “computação quântica” e “comunicação quântica” eram pouco conhecidos mesmo no meio acadêmico. O desenvolvimento tecnológico, contudo, têm modificado esse cenário e a física quântica, considerada um campo de pesquisa promissor, vem despertando o interesse de um número cada vez maior de estudiosos.

Exemplo disso é o Grupo de Óptica e Informação Quântica do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP, coordenado pelo professor Miled Hassan Youssef Moussa. “Quando terminei meu doutorado, em 1990, não se falava em informação, computação e comunicação quânticas. Essa era uma área apenas voltada à fundamentação da mecânica quântica e, até então, o interesse nela era periférico. Hoje, é uma área com forte apelo tecnológico e uma das que mais cresce e tem impacto sobre todas as demais áreas da física de baixas energias”, afirma Miled.

Atualmente, todas as áreas de física de baixas energias – ressonância magnética nuclear, física do estado sólido, óptica quântica etc – estão direta ou indiretamente relacionadas à informação quântica. Isso significa que, em um futuro próximo, toda tecnologia presente em nosso dia a dia terá como base as respostas fundamentadas nestes estudos.

Trocando o “ou” pelo “e”

Mesmo hoje já usufruímos destes dispositivos tecnológicos. O uso do raio laser na medicina e nos aparelhos eletrônicos, e o uso da ressonância magnética nuclear para realização de diversos tipos de exames, por exemplo, só são possíveis graças aos estudos ligados à física quântica. Porém, ainda há muito a ser desvendado nesta área.

Pesquisas em física quântica compreendem desde algumas moléculas até átomos, suas partículas fundamentais (prótons, nêutrons, elétrons) e componentes das partículas fundamentais (quarks, fótons etc.). A sobreposição de estados, por exemplo, é uma característica exclusiva da matéria e dos campos que se comportam de acordo com as leis da mecânica quântica. “Exemplificando, é como se uma pessoa pudesse estar em diversos locais ao mesmo tempo, realizando tarefas distintas”, explica Miled.

Aplicando-se esse conceito tecnologicamente, os computadores atuais, que têm seus comandos determinados pela linguagem binária de 1 ou 0, na computação quântica têm uma nova possibilidade: 1 e 0. “Da mesma maneira que uma partícula quântica pode estar em dois locais ao mesmo tempo, o quantum bit também possuirá essa capacidade. Ou seja, a lógica tradicional do ‘sim’ ou ‘não’ dá lugar ao ‘sim’ e ‘não'”, elucida o docente. “Essa nova metodologia possibilitará que os computadores sejam muito mais velozes, por exemplo”.

Particularidades do mundo quântico

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Busca pelo “estado puro” dos sistemas quânticos, muito sensíveis ao ambiente, tem sido desafio de cientistas

Os sistemas quânticos, no entanto, apresentam algumas fragilidades. É o caso da considerável influência que o meio ambiente exerce sobre tais sistemas. Para que atinjam seu máximo potencial, seu estado puro (sem influência do meio) precisa ser conservado. E eis o grande gargalo dos estudos nessa área: a chamada “mistura estatística” é o termo cunhado para descrever a ausência (indesejável) desse estado puro nos sistemas quânticos.

“O meio ambiente necessariamente conduz o estado puro de um sistema quântico para uma mistura estatística de estados”, esclarece Miled.

Vários pesquisadores já propuseram soluções, mas, até o momento, nenhuma delas foi definitva. Em 1996, os físicos Juan Ignacio Cirac e Peter Zoller lançaram o “esquema da Engenharia de Reservatório”: sistemas quânticos, em contato com reservatórios térmicos, poderiam manter sua pureza influenciados por um sistema auxiliar.

De acordo com os pesquisadores, o sistema auxiliar influenciaria a maneira pela qual o sistema quântico enxerga o reservatório térmico, impedindo sua transformação em mistura estatística. A falha desse esquema é que ele se aplica apenas a estados pré-determinados e não a estados arbitrários, conforme se requer para o processamento da informação quântica.

Uma forma de contornar o problema da proposta de Cirac e Zoller foi sugerida pelo grupo de Miled, na qual estados não estacionários, que se modificam com o passar do tempo, são utilizados para que se mantenham aproximadamente puros apesar da ação do meio ambiente. Outra proposta para resolução das “interrogações quânticas” é de autoria de Gentil de Morais Neto, ex-aluno de doutorado do Miled, e hoje no pós-doutorado, supervisionado pelo professor do IFSC, José Carlos Egues de Menezes.

O grupo formado por Miled, Morais Neto e o pesquisador da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Mickel de Ponte, propôs ainda um “tunelamento dissipativo não local”. Supondo que uma mensagem com uma sucessão de estados quânticos, partindo de um emissor para um receptor, deva chegar mantendo seus estados puros, através de um canal quântico, o tunelamento evitaria que ela fosse “contaminada” pelo meio ambiente.

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Foi criado um mecanismo capaz de manter o estado puro da mensagem que, durante seu trajeto, leva ao “emaranhamento quântico” do emissor com o receptor. Em função do emaranhamento, a mensagem não precisa passar pelos sistemas que compõem o canal quântico e que estão em contato com o meio ambiente. A alternativa criada, portanto, foi o envio da informação diretamente do emissor para o receptor (daí o termo “tunelamento”), levando a mensagem da origem ao destino sem maior contato com o meio ambiente, conservando quase que completamente a pureza dos estados e, portanto, a fidelidade da mensagem. “Para que a mensagem seja entregue, o canal quântico continua necessário, mas apenas como ‘degrau virtual’ no processo de transferência da informação, sendo ocupado apenas virtualmente”, explica Miled.

A contribuição de Gentil neste resultado diz respeito à resolução analítica da problemática. Isso porque dois grupos italianos já haviam verificado a possibilidade do processo de forma numérica.

Outra estratégia para evitar a transformação do sistema quântico em mistura estatística foi aplicada recentemente ao “estado de número”. Os pesquisadores do grupo de Miled propuseram dois esquemas distintos para manter a pureza dos estados de número também em dois contextos físicos diferentes: Armadilhas Iônicas e Eletrodinâmica Quântica de Cavidade. “A forma de se manter a pureza do sistema em cavidades é diferente da maneira como se faz em íons aprisionados. Estamos tentando, ainda, uma terceira maneira, via ‘localização de Anderson’, trabalho iniciado pelo em 1990 por J. R. Kuklinski”, conta Miled.

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