Eco quântico abre possibilidades para novas tecnologias

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/10/2020

Quando os spins dos átomos de fósforo no silício são energizados com micro-ondas, um sinal de eco de spin pode ser detectado após um certo tempo.
[Imagem: C. Hohmann/MCQST]

Manipulando spins

Partículas fundamentais podem ter um momento angular que aponta em uma certa direção - uma espécie de "giro", rotação ou, como é mais comumente conhecido, um spin.

E o spin de uma partícula pode ser manipulado por um campo magnético. Este princípio é a ideia básica por trás da ressonância magnética usada em hospitais, dos componentes da spintrônica e de vários tipos de qubits usados na computação quântica.

Uma das grandes dificuldades em todas essas aplicações é que um determinado spin - ou, de modo mais geral, um estado quântico de uma partícula - é muito frágil, perdendo-se por ruídos ou interferências mínimos.

Uma equipe de pesquisa internacional descobriu agora um efeito surpreendente que é particularmente adequado para lidar com esse ruído e processar informações quânticas de forma robusta: os spins dos átomos de fósforo inseridos em uma pastilha de silício produzem um eco. E, assim como os ecos sônicos, o eco do spin fica se repetindo em uma série que leva um bom tempo para desvanecer.

A diferença com o eco de som é que aqui a coisa não é feita no grito, mas com pulsos de energia. Quando um spin original é reforçado com pulsos de micro-ondas, ele produz um eco de spin que pode ser detectado depois de um certo tempo, com o sinal do pulso injetado sendo reemitido como um eco quântico.

Isso significa que o dado armazenado na partícula fica muito mais robusto - se o dado se perder, ele ainda estará estampado nos ecos -, diminuindo a taxa de erros e melhorando a eficiência do sistema.

Eco quântico

Os ecos quânticos não são exatamente uma novidade, mas os pulsos de energia que os geram atingem uma multiplicidade de átomos, que respondem em tempo diferentes, o que na prática produz mais uma bagunça de spins se movendo e múltiplos ecos do que uma situação estável.

O que Stefan Weichselbaumer e seus colegas da Universidade de Viena descobriram é que é possível reverter esse caos aparente com a ajuda de outro pulso eletromagnético - um pulso adequado pode reverter a rotação do spin, fazendo com que todos se coordenem novamente.

Os componentes spintrônicos quase não gastam energia, além do que o spin dos elétrons pode acionar micromáquinas.
[Imagem: Kazuya Harii]

"Você pode imaginar que é um pouco como correr uma maratona," ilustrou o professor Stefan Rotter. "No sinal de partida, todos os corredores ainda estão juntos. Como alguns corredores são mais rápidos do que outros, o grupo de corredores vai cada vez se mais alargando ao longo do tempo. No entanto, se todos os corredores recebessem o sinal para voltar à partida, todos os corredores voltariam à largada mais ou menos ao mesmo tempo, embora os corredores mais rápidos tenham que cobrir uma distância maior de volta do que os mais lentos."

O eco quântico representa exatamente isso - um eco de quando todos os spins estavam inicialmente alinhados. "O que é notável é que não fomos capazes de medir apenas um único eco, mas uma série de vários ecos," disse Hans Hubl, membro da equipe.

Informação quântica e exames médicos

A equipe também conseguiu identificar como é possível que esse eco quântico possa fazer todos os corredores voltarem ao ponto de largada como que por mágica. O que ocorre é um forte acoplamento entre os spins e os fótons do ressonador de micro-ondas usados para energizá-los. "Esse acoplamento é a essência do nosso experimento: você pode armazenar informações nos spins e, com a ajuda dos fótons de micro-ondas no ressonador, pode modificá-los ou lê-los," explicou Hubl.

A física do eco de spin eco tem grande importância para aplicações técnicas, podendo melhorar os exames de ressonância magnética, por exemplo. Mas a equipe pretende centrar seus esforços nas novas possibilidades oferecidas pelo eco múltiplo, como o processamento de informações quânticas. "Com certeza, vários ecos em conjuntos de spin acoplados fortemente aos fótons de um ressonador são uma ferramenta nova e excitante. Ela não só encontrará aplicações úteis em tecnologia de informação quântica, mas também em métodos de espectroscopia baseados em spin," disse o professor Rudolf Gross.

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