Caneta quântica escreve com átomos em cristal de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/03/2011

Com a ajuda de um feixe de laser, átomos individuais presos em um cristal óptico podem ser manipulados de forma precisa.
[Imagem: I. Bloch/MPQ]

Físicos criaram o que eles estão chamando de "caneta quântica", um instrumento capaz de não apenas de escrever com átomos, mas também de "escrever nos átomos", usando-os para guardar dados.

O instrumento, criado por cientistas do Instituto Max Planck na Alemanha, permite a manipulação de átomos individuais presos em uma rede de luz, organizando-os no padrão desejado.

Este um feito importante na área da computação quântica e dos simuladores quânticos, que poderão ser usados para estudar o comportamento de sistemas complexos demais para os simuladores computacionais tradicionais.

Cristal de luz

O tabuleiro onde os átomos são movidos é um cristal de luz, um arranjo óptico artificial onde uma série de lasers cria uma rede óptica que é um análogo da rede atômica de um cristal real.

O cristal de luz pode ser melhor entendido quando comparado com uma cartela de ovos - os lasers superpostos criam as separações, ou as paredes da cartela. Cada "buraco" dessa cartela óptica é capaz de acomodar um único átomo, que fica preso pelos feixes de luz ao seu redor.

Usando um microscópio eletrônico para guiá-los, os cientistas dispararam um laser altamente focalizado, de forma que ele atingisse os átomos individualmente, com altíssima precisão.

O laser deforma ligeiramente a camada de elétrons do átomo, alterando seu spin. Átomos com spin - com um momento angular intrínseco - comportam-se como se fossem pequenas agulhas magnéticas, que podem se alinhar em dois sentidos opostos.

Se os átomos forem irradiados com micro-ondas que estejam em ressonância com o spin alterado, somente os átomos que foram atingidos pelo laser absorvem o fóton de micro-ondas, o que faz seu spin se inverter. Todos os outros átomos do cristal de luz permanecem inalterados.

Ou seja, o experimento é capaz de usar o spin dos elétrons para armazenar dados digitais, que eventualmente poderão ser processados em um computador quântico.

Os padrões escritos com a caneta atômica têm entre 10 e 30 átomos, presos no interior de um cristal de luz.
[Imagem: I. Bloch/C. Weitenberg/P. Schaub/MPQ]

Caneta de átomos

A seguir, os cientistas alteraram o spin de todos os átomos em uma linha, mostrando a precisão alcançada com seu dispositivo - o índice de eficiência nessa alteração foi de 95%.

A operação foi repetida em diversos graus de complexidade. Depois que os átomos com o spin invertido são retirados da armadilha óptica, é possível ver claramente o padrão "escrito" nos átomos - o que levou os cientistas a chamarem o mecanismo de caneta quântica.

A rede óptica que cria o cristal artificial forma uma estrutura conhecida como isolante de Mott. "Um isolador Mott com exatamente um átomo em cada ponto da rede funciona como um registrador quântico natural com algumas centenas de bits, o ponto de partida ideal para o processamento de informações quânticas," afirma Stefan Kuhr, coautor do trabalho.

O próximo passo é realizar operações lógicas entre quaisquer dois átomos selecionados na rede. Esta seria uma demonstração do funcionamento da estrutura como um processador quântico.

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