O limite de velocidade também se aplica ao mundo quântico

Mesmo no mundo das menores partículas com suas próprias regras especiais, tudo não pode ir infinitamente rápido. Físicos da Universidade de Bonn mostraram qual é o limite de velocidade para operações quânticas complexas.

Cientistas do Massachusetts Institute of Technology, das universidades de Hamburgo, Colônia e Pádua e do Julich Research Center também participaram do estudo. Os resultados obtidos são importantes, em particular, para a implementação de computadores quânticos. Eles são publicados na revista Physical Review X e abordados na revista Physics of the American Physical Society.

Digamos que você esteja observando um garçom que tem que servir uma bandeja inteira de taças de champanhe na véspera de Ano Novo, poucos minutos antes da meia-noite. Ele corre de convidado em convidado em alta velocidade. Graças à sua técnica, aperfeiçoada ao longo dos anos, consegue no entanto não derramar uma única gota do precioso líquido.

Um pequeno truque o ajuda nisso: enquanto o garçom acelera o passo, ele inclina ligeiramente a bandeja para que o champanhe não escorra das taças. No meio do caminho para a mesa, ele o inclina na direção oposta e diminui a velocidade. Somente quando ele para completamente é que o mantém de pé novamente.

Os átomos são como champanhe. Eles podem ser descritos como ondas de matéria que não se comportam como uma bola de bilhar, mas sim como um líquido. Portanto, qualquer pessoa que queira mover átomos de um lugar para outro o mais rápido possível deve ser tão hábil quanto um garçom na véspera do Ano Novo.

E mesmo assim há um limite de velocidade que esse transporte não pode ultrapassar ”, explica a Dra. Andrea Alberti, que liderou a pesquisa no Instituto de Física Aplicada da Universidade de Bonn.

Em seu estudo, os cientistas estudaram experimentalmente onde está exatamente esse limite. Eles usaram um átomo de césio como substituto do champanhe e dois feixes de laser perfeitamente sobrepostos um ao outro, mas direcionados um contra o outro como uma bandeja. Essa superposição, chamada de interferência pelos físicos, cria uma onda estacionária de luz: uma série de picos e vales que inicialmente não se movem. Carregamos um átomo em uma dessas calhas e, em seguida, colocamos em movimento uma onda estacionária - isso deslocou a posição da própria calha, diz Andrea Alberti. - Nosso objetivo era entregar o átomo no lugar certo no menor tempo possível, sem respingá-lo, por assim dizer, para fora da cavidade.

O fato de haver um limite de velocidade no microcosmo já foi teoricamente comprovado por dois físicos soviéticos - Leonid Mandelstam e Igor Tamm, há mais de 60 anos. Eles mostraram que a velocidade máxima de um processo quântico depende da incerteza energética, ou seja, de quão “livre” a partícula manipulada está em relação aos seus possíveis estados de energia: quanto mais liberdade de energia ela tem, mais rápida ela é.

No caso da transferência de átomos, por exemplo, quanto mais fundo a cavidade na qual o átomo de césio cai, mais as energias dos estados quânticos são espalhadas lá e, em última análise, mais rápido o átomo pode ser transferido. Algo semelhante pode ser visto no exemplo de um garçom: se ele encher os copos apenas até a metade, corre menos risco de derramar champanhe ao acelerar e reduzir a velocidade. No entanto, a liberdade de energia de uma partícula não pode ser aumentada arbitrariamente. Não podemos tornar nossa depressão infinitamente profunda - isso vai nos custar muita energia - enfatiza Alberti.

O limite de velocidade de Mandelstam e Tamm é um limite fundamental. No entanto, isso pode ser alcançado apenas em certas circunstâncias, nomeadamente em sistemas com dois estados quânticos.

No nosso caso, por exemplo, isso acontece quando o ponto de partida e o destino estão muito próximos um do outro, explica o físico. - Então, as ondas de matéria do átomo em ambos os lugares são sobrepostas umas às outras, e o átomo pode ser entregue diretamente ao seu destino de uma vez, ou seja, sem nenhuma parada intermediária - quase como teletransporte na nave estelar Enterprise from Star Trek.

No entanto, a situação é diferente quando a distância aumenta para várias dezenas de comprimentos de onda da matéria, como no experimento de Bonn. Para tais distâncias, o teletransporte direto é impossível. Em vez disso, a partícula deve passar por vários estados intermediários para chegar ao seu destino final: um sistema de dois níveis torna-se um sistema de vários níveis.

O estudo mostra que um limite de taxa inferior é aplicável a tais processos do que o previsto pelos dois físicos soviéticos: ele é determinado não apenas pela incerteza energética, mas também pelo número de estados intermediários. Dessa forma, o trabalho aprimora a compreensão teórica de processos quânticos complexos e suas limitações.

As descobertas dos físicos são importantes não apenas para a computação quântica. Os cálculos possíveis com computadores quânticos baseiam-se principalmente na manipulação de sistemas em camadas. No entanto, os estados quânticos são muito frágeis. Eles duram apenas por um curto período de tempo, que os físicos chamam de tempo de coerência.

Portanto, é importante empacotar o máximo de operações computacionais possíveis neste momento. Nossa pesquisa mostra o número máximo de operações que podemos realizar durante o tempo de coerência, explica Andrea Alberti. Isso permite que ele seja usado de forma otimizada.