Os engenheiros da UNSW demonstraram uma conhecida experiência de pensamento quântico no mundo real. As suas descobertas proporcionam uma nova e mais robusta forma de efetuar cálculos quânticos – que têm implicações importantes para a correção de erros, um dos maiores obstáculos que se interpõem entre os cientistas e um computador quântico funcional. Será o Santo Graal da física?
A mecânica quântica tem intrigado cientistas e filósofos há mais de um século. Uma das mais famosas experiências de pensamento quântico é a do “gato de Schrödinger” — um felino cuja vida ou morte dependeu de um átomo radioativo.
De acordo com a mecânica quântica, a menos que o átomo seja diretamente observado, deve considerar-se que se encontra numa sobreposição – ou seja, em múltiplos estados ao mesmo tempo – de decaído e não decaído. Isto leva à conclusão preocupante de que o gato está numa superposição de morto e vivo.
“Nunca ninguém viu um gato real num estado em que está vivo e morto ao mesmo tempo, mas as pessoas utilizam a metáfora do gato de Schrödinger para descrever uma sobreposição de estados quânticos que diferem muito entre si”, afirma o Andrea Morello, da UNSW, líder da equipa que realizou a investigação, publicada recentemente na revista Nature Physics.
Gato atómico
Para este trabalho de investigação, a equipa de Morello utilizou um átomo de antimónio, que é muito mais complexo do que os “qubits” normais, ou blocos de construção quânticos. “No nosso trabalho, o ‘gato’ é um átomo de antimónio- metal sólido de cor acizentada”, diz Xi Yu, autor principal do artigo.
“O antimónio é um átomo pesado, que possui um grande spin nuclear, o que significa um grande dipolo magnético (ou seja dois polos, norte e sul, polos opostos). O spin do antimónio pode ter oito direções diferentes, em vez de apenas duas. Isto pode não parecer muito, mas de facto altera completamente o comportamento do sistema. Uma superposição do spin do antimónio apontando em direcções opostas não é apenas uma superposição de ‘para cima’ e ‘para baixo’, porque há múltiplos estados quânticos a separar os dois ramos da superposição”.
Este fato tem consequências profundas para os cientistas que estão a trabalhar na construção de um computador quântico utilizando o spin nuclear de um átomo como bloco de construção básico. “Normalmente, as pessoas utiliza-se um bit quântico, ou ‘qubit’ – um objeto descrito por apenas dois estados quânticos – como unidade básica da informação quântica”, diz o coautor Benjamin Wilhelm.
“Se o qubit for um spin, podemos chamar ‘spin para baixo’ ao estado ‘0’ e ‘spin para cima’ ao estado ‘1’. Mas se a direção do spin mudar subitamente, temos imediatamente um erro lógico: O 0 passa a 1 ou vice-versa, de uma só vez. É por isso que a informação quântica é tão frágil”.
Mas no átomo de antimónio, que tem oito direcções de rotação diferentes, se o “0” for codificado como um “gato morto” e o “1” como um “gato vivo”, um único erro não é suficiente para baralhar o código quântico.
“Como diz o provérbio, um gato tem nove vidas. Um pequeno arranhão não é suficiente para o matar. O nosso “gato” metafórico tem sete vidas: seriam necessários sete erros consecutivos para transformar o “0” num “1”! É neste sentido que a sobreposição de estados de spin do antimónio em direcções opostas é ‘macroscópica’ – porque está a acontecer a uma escala maior e concretiza um gato de Schrödinger”, explica Yu.
Tecnologia escalável
O gato de antimónio está incorporado num chip quântico de silício, semelhante aos que temos nos nossos computadores e telemóveis, mas adaptado para dar acesso ao estado quântico de um único átomo. O chip foi fabricado por Danielle Holmes da UNSW, enquanto o átomo de antimónio foi inserido no chip por colegas da Universidade de Melbourne.
Ao alojar o “gato de Schrödinger” atómico dentro de um chip de silício, obtemos um controlo requintado sobre o seu estado quântico – ou, se quisermos, sobre a sua vida e morte”, afirma Holmes.
“Além disso, alojar o ‘gato’ em silício significa que, a longo prazo, esta tecnologia pode ser ampliada utilizando métodos semelhantes aos que já adoptamos para construir os chips de computador que temos hoje”.
A importância desta descoberta reside no facto de abrir a porta a uma nova forma de efetuar cálculos quânticos. A informação continua a ser codificada em código binário, ‘0’ ou ‘1’, mas há mais ‘margem de erro’ entre os códigos lógicos.“Um único erro, ou mesmo alguns erros, não baralham imediatamente a informação”, diz o Prof.
“Se ocorrer um erro, detectamo-lo imediatamente e podemos corrigi-lo antes que se acumulem mais erros. Para continuar com a metáfora do “gato de Schrödinger”, é como se víssemos o nosso gato a chegar a casa com um grande arranhão na cara. Está longe de estar morto, mas sabemos que se envolveu numa luta; podemos ir à procura de quem causou a luta, antes que volte a acontecer e o nosso gato fique ainda mais ferido”.
A demonstração da deteção e correção de erros quânticos – o “Santo Graal” da computação quântica – é a próxima etapa que a equipa vai abordar.
O trabalho foi o resultado de uma vasta colaboração internacional. Vários autores da UNSW Sydney, bem como colegas da Universidade de Melbourne, fabricaram e utilizaram os dispositivos quânticos. Colaboradores teóricos nos EUA, nos Laboratórios Nacionais Sandia e na NASA Ames, e no Canadá, na Universidade de Calgary, forneceram ideias preciosas sobre a forma de criar o gato e de avaliar o seu complicado estado quântico. “Este trabalho é um excelente exemplo de colaboração transfronteiriça entre equipas líderes a nível mundial com competências complementares”, afirma o Prof.
