Resumo:
A equipe de pesquisa do Sexto Instituto de Física da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, anunciou que estabeleceu três recordes mundiais ao mesmo tempo em um sistema quântico especial chamado "átomo circular de Rydberg", incluindo vida atômica, tamanho atômico e tempo de retenção em uma armadilha de laser. Os pesquisadores acreditam que se espera que esta descoberta promova o desenvolvimento de simuladores quânticos de alto desempenho e estabeleça as bases para a construção de computadores quânticos mais poderosos no futuro.
Simuladores quânticos podem reproduzir o comportamento de sistemas quânticos complexos em um ambiente controlado e são uma plataforma importante para explorar novos fenômenos quânticos e verificar a tecnologia de computação quântica. Os átomos de Rydberg há muito são considerados unidades candidatas promissoras nas áreas de simulação quântica e computação quântica. No entanto, eles são extremamente sensíveis ao ambiente circundante e muitas vezes só conseguem permanecer estáveis por um período muito curto. Isto também se tornou um dos principais obstáculos que limitam o desenvolvimento de tecnologias relacionadas.
Tilman Pfau, chefe da equipe de pesquisa, disse que melhorar a estabilidade dos átomos de Rydberg sempre foi um desafio central no desenvolvimento de simuladores quânticos de alto desempenho. A equipe aumentou com sucesso o tempo de estabilidade atômica para 20 vezes o nível anterior, criando condições mais favoráveis para aplicações subsequentes de tecnologia quântica.
O chamado átomo de Rydberg refere-se a uma estrutura atômica na qual os elétrons são excitados para órbitas de alta energia longe do núcleo. Como a distância entre os elétrons e o núcleo aumenta muito, o tamanho desses átomos pode atingir milhares de vezes o tamanho dos átomos comuns. O tamanho maior permite interações quânticas com átomos vizinhos em distâncias maiores, uma propriedade importante para a construção e controle de sistemas quânticos.
Os pesquisadores disseram que a distância de interação entre os átomos de Rydberg pode atingir cerca de 5 mícrons, o que equivale a cerca de um décimo da espessura de um fio de cabelo humano. Embora ainda seja extremamente pequeno na escala cotidiana, já está bastante distante no mundo atômico. Esta é uma das razões pelas quais a tecnologia quântica de átomos neutros favorece os átomos de Rydberg. Este tipo de tecnologia permite o processamento quântico de informações capturando e manipulando átomos sem carga com raios laser.
O objeto de pesquisa da equipe desta vez são os átomos circulares de Rydberg. Neste estado, os elétrons excitados movem-se numa órbita quase circular ao redor do núcleo. No experimento, os pesquisadores construíram com sucesso uma órbita eletrônica com um diâmetro de cerca de 1,1 mícron, que é cerca de 10.000 vezes maior que a órbita eletrônica dos átomos comuns.
Para atingir este objetivo, a equipe desenvolveu uma plataforma experimental especial para criar átomos gigantes extremamente estáveis à temperatura ambiente, suprimindo a interferência da radiação do corpo negro no ambiente. No passado, experiências semelhantes exigiam frequentemente ambientes caros e complexos de temperatura ultrabaixa, mas esta conquista foi alcançada em condições mais amenas, melhorando ainda mais a praticidade da tecnologia.
Durante o experimento, os pesquisadores estabeleceram com sucesso três recordes internacionais. Primeiro, eles mediram o tempo de vida mais longo já registrado para um único átomo redondo de Rydberg. Ao controlar os elétrons excitados para se moverem ao longo de uma órbita circular estável, os átomos permanecem em um estado estável por 11 milissegundos, o que é mais de 20 vezes maior que o estado semelhante anterior no espaço livre.
Em segundo lugar, a equipa de investigação criou o maior átomo de Rydberg circular controlável até à data, com uma órbita electrónica que atinge cerca de 1,1 mícrones, estabelecendo um novo recorde em campos relacionados.
O terceiro registro vem da época da captura atômica em pinças ópticas a laser. Os pesquisadores usaram raios laser para manter com sucesso esses átomos gigantes na armadilha por 133 milissegundos, estabelecendo também um novo recorde mundial.
Os investigadores salientaram que os átomos redondos de Rydberg não só têm uma vida útil mais longa, mas também são mais estáveis a perturbações externas, mantendo ao mesmo tempo a importante vantagem da forte interacção dos átomos de Rydberg. Essas características o tornam um candidato ideal para futuros simuladores quânticos e plataformas de computação quântica.
À medida que a pesquisa em computação quântica continua a avançar, a indústria geralmente acredita que os futuros dispositivos quânticos práticos precisam ter alta estabilidade, baixas taxas de erro e forte escalabilidade. Os resultados alcançados pela Universidade de Stuttgart provam pela primeira vez que os átomos circulares de Rydberg podem alcançar um controle estável de longo prazo à temperatura ambiente, o que deverá reduzir significativamente o problema de acumulação de erros em operações quânticas.
A equipe de pesquisa afirmou que o próximo passo será tentar construir um sistema quântico programável composto por múltiplos átomos circulares de Rydberg para explorar ainda mais seu potencial de aplicação prática em simulação quântica e computação quântica. À medida que a tecnologia de controle para esses “átomos gigantes” continua a amadurecer, os computadores quânticos podem estar um passo mais perto de um desempenho superior e de uma operação em maior escala.
Comentários