Matt Trushheim liga o interruptor no laboratório escuro, e um poderoso laser verde ilumina um minúsculo diamante mantido no lugar sob a objetiva de um microscópio. Uma imagem aparece na tela do computador, uma nuvem difusa de gás pontilhada com pontos verdes brilhantes. Esses pontos brilhantes são pequenos defeitos dentro do diamante, nos quais dois átomos de carbono são substituídos por um átomo de estanho. A luz do laser que passa por eles passa de um tom de verde para outro.
Posteriormente, este diamante será resfriado à temperatura do hélio líquido. Ao controlar a estrutura cristalina de um átomo de diamante por átomo, trazendo-o a alguns graus acima do zero absoluto e aplicando um campo magnético, pesquisadores do Laboratório de Fotônica Quântica, liderados pelo físico Dirk Englund, do MIT, acham que podem selecionar as propriedades da mecânica quântica de fótons e elétrons com tal precisão. que eles serão capazes de transferir códigos secretos inquebráveis.
Trushheim é um dos muitos cientistas que estão tentando descobrir quais átomos, encerrados em cristais, sob quais condições permitirão que eles obtenham o controle desse nível. Na verdade, os cientistas de todo o mundo estão tentando aprender como controlar a natureza no nível dos átomos e abaixo, dos elétrons ou mesmo de uma fração de um elétron. Seu objetivo é encontrar os nós que controlam as propriedades fundamentais da matéria e energia, e apertar ou desemaranhar esses nós mudando a matéria e a energia, para criar computadores quânticos superpotentes ou supercondutores que funcionam à temperatura ambiente.
Esses cientistas enfrentam dois desafios principais. No nível técnico, é muito difícil realizar esse trabalho. Alguns cristais, por exemplo, devem ser 99,99999999% puros em câmaras de vácuo mais limpas que o espaço. Um desafio ainda mais fundamental é que os efeitos quânticos que os cientistas desejam conter - por exemplo, a capacidade de uma partícula de estar em dois estados ao mesmo tempo, como o gato de Schrödinger - aparecem no nível de elétrons individuais. No macrocosmo, essa magia entra em colapso. Conseqüentemente, os cientistas têm que manipular a matéria na menor escala e são limitados pelos limites da física fundamental. Seu sucesso determinará como nossa compreensão da ciência e das capacidades tecnológicas mudará nas próximas décadas.
Sonho do alquimista
Manipular a matéria, até certo ponto, consiste em manipular elétrons. No final das contas, o comportamento dos elétrons em uma substância determina suas propriedades como um todo - essa substância será um metal, um condutor, um ímã ou qualquer outra coisa. Alguns cientistas estão tentando mudar o comportamento coletivo dos elétrons criando uma substância sintética quântica. Os cientistas vêem como “pegamos um isolador e o transformamos em um metal ou semicondutor e depois em supercondutor. Podemos transformar um material não magnético em magnético”, diz a física Eva Andrew, da Rutgers University. "Este é o sonho de um alquimista se tornando realidade."
E esse sonho pode levar a avanços reais. Por exemplo, os cientistas vêm tentando há décadas criar supercondutores que funcionem em temperatura ambiente. Com a ajuda desses materiais, seria possível criar linhas de transmissão que não desperdiçam energia. Em 1957, os físicos John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer demonstraram que a supercondutividade ocorre quando os elétrons livres em um metal como o alumínio se alinham nos chamados pares de Cooper. Mesmo estando relativamente longe, cada elétron correspondia a outro, com spin e momentum opostos. Como casais dançando em uma multidão em uma discoteca, os pares de elétrons se movem em coordenação com outros, mesmo que outros elétrons passem entre eles.
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Este alinhamento permite que a corrente flua através do material sem encontrar resistência e, portanto, sem perda. Os supercondutores mais práticos desenvolvidos até agora devem estar em temperaturas um pouco acima do zero absoluto para que esse estado persista. No entanto, pode haver exceções.
Recentemente, pesquisadores descobriram que bombardear material com um laser de alta intensidade também pode lançar elétrons em pares de Cooper, embora brevemente. Andrea Cavalleri, do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, em Hamburgo, Alemanha, e seus colegas encontraram sinais de supercondutividade fotoinduzida em metais e isoladores. A luz que atinge o material faz com que os átomos vibrem e os elétrons entrem brevemente em um estado de supercondutividade. "A sacudida deve ser violenta", diz David Esie, físico da matéria condensada do California Institute of Technology, que usa a mesma técnica de laser para manifestar efeitos quânticos incomuns em outros materiais. "Por um momento, o campo elétrico fica muito forte - mas apenas por um curto período de tempo."
Códigos inquebráveis
A manipulação de elétrons é como Trushheim e Englund se propuseram a desenvolver criptografia quântica inquebrável. No caso deles, o objetivo não é alterar as propriedades dos materiais, mas transferir as propriedades quânticas dos elétrons em diamantes projetados para fótons que transmitem chaves criptográficas. Nos centros de cores dos diamantes do laboratório de Englund, estão localizados os elétrons livres, cujos spins podem ser medidos usando um forte campo magnético. Um spin que se alinha com o campo pode ser denominado spin 1, um spin que não se alinha é spin 2, que equivale a 1 e 0 no bit digital. "É uma partícula quântica, então pode estar nos dois estados ao mesmo tempo", diz Englund. Um bit quântico, ou qubit, é capaz de realizar muitos cálculos ao mesmo tempo.
É aqui que nasce uma propriedade misteriosa - o emaranhamento quântico. Imagine uma caixa contendo bolas vermelhas e azuis. Você pode pegar um sem olhar e colocá-lo no bolso, e depois partir para outra cidade. Em seguida, tire a bola do bolso e descubra que é vermelha. Você entenderá imediatamente que há uma bola azul na caixa. Isso é confusão. No mundo quântico, esse efeito permite que as informações sejam transmitidas instantaneamente e por longas distâncias.
Os centros coloridos no diamante do laboratório de Englund transmitem os estados quânticos dos elétrons que eles contêm aos fótons por meio do emaranhamento, criando "qubits voadores", como Englund os chama. Nas comunicações ópticas convencionais, um fóton pode ser transmitido ao receptor - neste caso, outro vazio vago no diamante - e seu estado quântico será transferido para um novo elétron, de modo que os dois elétrons são ligados. A transmissão desses bits ofuscados permitirá que duas pessoas compartilhem a chave criptográfica. “Cada um tem uma sequência de zeros e uns, ou giros altos e baixos, que parecem completamente aleatórios, mas são idênticos”, diz Englund. Usando essa chave para criptografar os dados transmitidos, você pode torná-los absolutamente seguros. Se alguém quiser interceptar a transmissão, o remetente saberá disso,porque o ato de medir um estado quântico o mudará.
Englund está experimentando uma rede quântica que envia fótons através da fibra óptica através de seu laboratório, um objeto na estrada da Universidade de Harvard e outro laboratório do MIT nas proximidades de Lexington. Cientistas já conseguiram transferir chaves criptográficas quânticas para longas distâncias - em 2017, cientistas chineses relataram que haviam transferido tal chave de um satélite na órbita da Terra para duas estações terrestres a 1200 quilômetros de distância nas montanhas do Tibete. Mas a taxa de bits do experimento chinês era muito baixa para comunicações práticas: os cientistas registraram apenas um par confuso em seis milhões. Uma inovação que tornará as redes quânticas criptográficas práticas na Terra são os repetidores quânticos, dispositivos colocados em intervalos na rede que amplificam o sinal,sem alterar suas propriedades quânticas. O objetivo de Englund é encontrar materiais com defeitos atômicos adequados para que esses repetidores quânticos possam ser criados a partir deles.
O truque é criar fótons emaranhados suficientes para transportar os dados. Um elétron em uma vacância substituída por nitrogênio mantém seu spin por tempo suficiente - cerca de um segundo - o que aumenta as chances de a luz laser passar por ele e produzir um fóton emaranhado. Mas o átomo de nitrogênio é pequeno e não preenche o espaço criado pela ausência de carbono. Portanto, os fótons sucessivos podem ter cores ligeiramente diferentes, o que significa que perderão sua correspondência. Outros átomos, como o estanho, por exemplo, aderem firmemente e criam um comprimento de onda estável. Mas eles não serão capazes de segurar o giro por tempo suficiente - portanto, o trabalho está em andamento para encontrar o equilíbrio perfeito.
Pontas duplas
Enquanto Englund e outros tentam lidar com elétrons individuais, outros mergulham mais fundo no mundo quântico e tentam manipular a fração de elétrons. Este trabalho está enraizado em um experimento em 1982, quando cientistas do Laboratório Bell e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore imprensaram duas camadas de cristais semicondutores diferentes, resfriaram-os quase até o zero absoluto e aplicaram um forte campo magnético a eles, prendendo elétrons em um plano entre duas camadas de cristais. … Assim, formou-se uma espécie de sopa quântica na qual o movimento de qualquer elétron individual era determinado pelas cargas que ele sentia de outros elétrons. “Essas não são mais partículas individuais em si mesmas”, diz Michael Manfra, da Purdue University. “Imagine um balé em que cada dançarino não apenas dê seus próprios passos,mas também reage ao movimento de um parceiro ou de outros dançarinos. É uma resposta geral."
O estranho em tudo isso é que essa coleção pode ter cobranças fracionárias. Um elétron é uma unidade indivisível, não pode ser dividido em três partes, mas um grupo de elétrons no estado desejado pode produzir uma chamada quase-partícula com 1/3 da carga. "É como se os elétrons estivessem se dividindo", diz Mohammed Hafezi, físico do Joint Quantum Institute. "É muito estranho". Hafezi criou esse efeito em grafeno ultracold, uma camada monoatômica de carbono, e recentemente mostrou que pode manipular o movimento de quasipartículas iluminando o grafeno com um laser. “Está sendo monitorado agora”, diz ele. “Nódulos externos, como campos magnéticos e luz, podem ser manipulados, puxados para cima ou desvinculados. A natureza da mudança coletiva está mudando."
A manipulação de quasipartículas permite que você crie um tipo especial de qubit - um qubit topológico. A topologia é um ramo da matemática que estuda as propriedades de um objeto que não mudam mesmo se esse objeto for torcido ou deformado. Um exemplo típico é um donut: se fosse perfeitamente elástico, poderia ser remodelado em uma xícara de café sem mudar muito; o orifício no donut terá uma nova função no orifício da alça do copo. Porém, para transformar um donut em um pretzel, você terá que fazer novos orifícios, mudando sua topologia.
Um qubit topológico retém suas propriedades mesmo sob condições variáveis. Normalmente, as partículas mudam seus estados quânticos, ou "descoere", quando algo em seu ambiente é perturbado, como pequenas vibrações causadas pelo calor. Mas se você fizer um qubit a partir de duas quasipartículas separadas por alguma distância, digamos, nas extremidades opostas de um nanofio, você estará essencialmente dividindo um elétron. Ambas as metades teriam que experimentar a mesma violação para descoerir, o que é improvável de acontecer.
Essa propriedade torna os qubits topológicos atraentes para computadores quânticos. Devido à capacidade de um qubit de estar em uma superposição de vários estados ao mesmo tempo, os computadores quânticos devem ser capazes de realizar cálculos que são praticamente impossíveis sem eles, por exemplo, para simular o Big Bang. A Manfra está essencialmente tentando construir computadores quânticos a partir de qubits topológicos na Microsoft. Mas também existem abordagens mais simples. O Google e a IBM estão essencialmente tentando construir computadores quânticos a partir de fios super-resfriados que se tornam semicondutores, ou átomos ionizados em uma câmara de vácuo, mantidos juntos por lasers. O problema com essas abordagens é que elas são mais sensíveis às mudanças ambientais do que os qubits topológicos, especialmente se o número de qubits aumentar.
Assim, qubits topológicos podem revolucionar nossa capacidade de manipular coisas minúsculas. No entanto, há um problema significativo: eles ainda não existem. Os pesquisadores estão lutando para criá-los a partir das chamadas partículas de Majorana. Proposta por Ettore Majorana em 1937, essa partícula é sua própria antipartícula. O elétron e sua antipartícula, o pósitron, têm propriedades idênticas, exceto pela carga, mas a carga da partícula de Majorana será zero.
Os cientistas acreditam que certas configurações de elétrons e lacunas (sem elétrons) podem se comportar como partículas de Majorana. Eles, por sua vez, podem ser usados como qubits topológicos. Em 2012, o físico Leo Kouvenhoven, da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, e seus colegas mediram o que pensaram ser partículas de Majorana em uma rede de nanofios supercondutores e semicondutores. Mas a única maneira de provar a existência dessas quasipartículas é criar um qubit topológico com base nelas.
Outros especialistas nesta área são mais otimistas. “Acho que sem qualquer dúvida alguém um dia criará um qubit topológico, apenas por diversão”, diz Steve Simon, um teórico da matéria condensada da Universidade de Oxford. "A única questão é se podemos fazer deles o computador quântico do futuro."
Os computadores quânticos - bem como os supercondutores de alta temperatura e a criptografia quântica inquebrável - podem surgir daqui a muitos anos ou nunca. Mas, ao mesmo tempo, os cientistas estão tentando decifrar os mistérios da natureza em menor escala. Até agora, ninguém sabe até onde eles podem ir. Quanto mais profundamente penetramos nos menores componentes de nosso universo, mais eles nos empurram para fora.
Ilya Khel
