Fenômenos quânticos macroscópicos são controlados a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/02/2024

Arte conceitual do dispositivo operacional, que consiste em um tambor carregado com nanopilares entre dois espelhos segmentados periodicamente, permitindo que a luz do laser interaja fortemente com o tambor mecanicamente quântico à temperatura ambiente.
[Imagem: EPFL/Second Bay Studios]

Microscópio de Heisenberg

Virtualmente tudo o que envolve a mecânica quântica, incluindo as tecnologias já em uso, como os computadores quânticos, exige que todo o aparato usado esteja em temperatura criogênica. Isto porque os fenômenos quânticos são sensíveis demais a qualquer ruído ou interferência, o que exige colocar tudo próximo ao zero absoluto, onde átomos e moléculas diminuem de ritmo e quase param.

É claro que isto é um grande empecilho, limitando as aplicações práticas das tecnologias quânticas ou tornando tudo muito caro, o que tem sustentado um esforço contínuo na comunidade científica em busca de meios para observar e controlar fenômenos quânticos em temperatura ambiente e, se possível, em escala macroscópica.

Agora, Guanhao Huang e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, acabam de redefinir a fronteira do que é possível em termos de controle dos fenômenos quânticos.

Os pesquisadores criaram um sistema optomecânico de ruído ultrabaixo, uma configuração onde a luz e o movimento mecânico se interconectam, permitindo estudar e manipular como a luz influencia objetos em movimento com alta precisão - tudo a temperatura ambiente.

"Alcançar o regime de optomecânica quântica à temperatura ambiente tem sido um desafio em aberto há décadas. Nosso trabalho realiza efetivamente o microscópio de Heisenberg, há muito considerado apenas um modelo teórico de brinquedo," disse o professor Tobias Kippenberg, cuja equipe vem tentando enganar o Princípio da Incerteza de Heisenberg há muito tempo.

O microscópio de Heisenberg, citado pelo pesquisador, é um experimento mental proposto pelo próprio Werner Heisenberg (1901-1976) para demonstrar a incerteza que impera no reino quântico. O microscópio consistiria em um equipamento para ver um único elétron sendo atingido por um único fóton. O fóton permite descobrir a posição do elétron, mas, por meramente atingir o elétron para que ele seja visto, o fóton lhe transmite momento, outra propriedade de partícula, que então passa a ser incerta, ou seja, não dá para conhecer as duas com precisão ao mesmo tempo.

A cavidade de espelhos com o tambor no meio.
[Imagem: Guanhao Huang/EPFL]

Controle quântico a temperatura ambiente

O principal problema com a temperatura ambiente é o ruído térmico, que perturba a delicada dinâmica quântica. Para minimizar isso, a equipe usou espelhos de cavidade, que são espelhos especializados que refletem a luz para frente e para trás dentro de um espaço confinado (a cavidade), efetivamente "capturando" a luz, o que amplifica sua interação com os componentes mecânicos do sistema.

Para reduzir o ruído térmico, os espelhos são padronizados com estruturas periódicas semelhantes a cristais, razão pela qual eles são conhecidos como cristais fonônicos - são cristais que manipulam fônons, as partículas de calor e som, em lugar de fótons, as partículas de luz (para a luz existem os cristais fotônicos).

Outro componente crucial, fruto de anos de trabalho da equipe, é um dispositivo semelhante a um tambor, medindo 4 mm, chamado oscilador mecânico, que interage com a luz dentro da cavidade. Seu tamanho relativamente grande é fundamental para isolá-lo do ruído ambiental, tornando possível detectar fenômenos quânticos sutis à temperatura ambiente.

Detalhes do microscópio de Heisenberg.
[Imagem: Guanhao Huang et al. - 10.1038/s41586-023-06997-3]

Compressão óptica

Colocar tudo junto permitiu aos pesquisadores alcançar a "compressão óptica", um fenômeno quântico onde certas propriedades da luz, como sua intensidade ou sua fase, são manipuladas para reduzir as flutuações em uma variável em detrimento do aumento das flutuações na outra, conforme ditado pelo princípio da incerteza de Heisenberg.

Ao demonstrar a compressão óptica à temperatura ambiente, os pesquisadores mostraram que é possível controlar e observar eficazmente fenômenos quânticos em um sistema macroscópico sem a necessidade de temperaturas extremamente baixas.

"O sistema que desenvolvemos pode facilitar novos sistemas quânticos híbridos onde o tambor mecânico interage fortemente com diferentes objetos, como nuvens de átomos aprisionadas," exemplificou Alberto Beccari, membro da equipe. "Esses sistemas são úteis para informações quânticas e nos ajudam a entender como criar estados quânticos grandes e complexos."

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