Resumo:
No tênis de mesa ou no futebol, a esfera giratória de alta velocidade "loop ball" traçará uma trajetória curva devido às diferenças no fluxo de ar. Este fenômeno clássico da física é chamado de efeito Magnus. Recentemente, uma equipa de investigação internacional liderada por cientistas do Instituto Paul Scherrer (PSI) na Suíça publicou um artigo na revista académica Physical Review Letters, anunciando que pela primeira vez o correspondente "efeito Magnus óptico" foi observado directamente usando lasers e iões individuais numa escala extremamente microscópica.
Este fenômeno revela que há um pequeno deslocamento lateral de centenas de nanômetros no ponto de forte interação entre o laser altamente focado e o qubit. Esta descoberta tem um valor científico importante para melhorar a precisão do controle de computadores quânticos com armadilhas de íons.
Normalmente, acredita-se intuitivamente que a intensidade da luz é mais forte no centro do feixe de laser, e a interação com os átomos também deve ser mais intensa no centro do feixe. No entanto, quando a luz do laser é focada de forma extremamente estreita, a estrutura do seu campo eletromagnético espacial sofre uma remodelação microscópica complexa. Físicos teóricos da Universidade de Amsterdã previram há alguns anos que essa mudança no campo da onda de luz faria com que o ponto de interação mais forte entre o laser e os átomos não caísse no centro do ponto de luz, mas ligeiramente para um lado, o que se manifesta como o efeito Magnus no nível óptico.
Para capturar este fenômeno físico extremamente fraco no experimento, a equipe de pesquisa usou campos eletromagnéticos para imobilizar íons de cálcio individuais em uma armadilha de íons em uma câmara de ultra-alto vácuo. Na computação quântica, os íons aprisionados são frequentemente usados como qubits para realizar cálculos, e os pulsos de laser ajustados são a ferramenta central para alterar seus estados quânticos. Durante o experimento, os pesquisadores moveram um feixe de laser altamente focado em relação aos íons de cálcio e mediram com precisão a intensidade da interação entre os íons e o campo de luz em diferentes coordenadas espaciais. Usando íons de cálcio como sonda microscópica, eles mediram com sucesso um pequeno deslocamento lateral de apenas algumas centenas de nanômetros.
A experiência também revelou uma propriedade física inesperada: a magnitude exacta deste deslocamento lateral depende apenas do comprimento de onda do laser utilizado, e não da intensidade com que o feixe de laser está focado. Para computadores quânticos com armadilha de íons que dependem de feixes de laser precisos para endereçar qubits individuais e controlar portas lógicas quânticas, se o deslocamento "excêntrico" de centenas de nanômetros for ignorado no algoritmo e no alinhamento óptico, o laser pode não agir com precisão no alvo pretendido, introduzindo assim erros sistemáticos em operações quânticas contínuas de alta precisão.
Philip Leindecker, primeiro autor do estudo e pesquisador do Departamento de Física e do Instituto Paul Scherr da ETH Zurique, também apontou que esse efeito não é apenas uma interferência negativa, mas também se espera que a força eletromagnética microscópica que ele gera seja usada como um novo mecanismo físico para auxiliar na obtenção de acoplamento controlado entre qubits adjacentes, fornecendo assim novas formas experimentais de realizar operações lógicas quânticas mais complexas. Essa conquista não apenas verificou hipóteses teóricas de longa data no nível da óptica quântica básica, mas também estabeleceu um importante parâmetro de referência para a calibração do sistema óptico da próxima geração de hardware quântico de armadilha de íons altamente tolerante a falhas.
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