Há mais de um século, a física quântica prevê que a energia não precisa mudar continuamente. Em determinadas condições, ela pode simplesmente “saltar” de um nível para outro. Esses saltos quânticos já haviam sido observados em íons e partículas de luz. Faltava registrar o fenômeno diretamente no som.
Agora, pesquisadores da Universidade Stanford conseguiram fazer exatamente isso.
Em um experimento publicado na revista Science, a equipe liderada pelo físico Amir Safavi-Naeini acompanhou em tempo real um salto quântico envolvendo um único fônon — a menor unidade quantizada de vibração em um material.
A descoberta não significa que cientistas viram uma onda sonora comum desaparecer repentinamente. O fenômeno acontece em escalas microscópicas e revela como a energia de uma vibração mecânica se comporta quando as regras da mecânica quântica dominam o sistema.
O som também pode existir em “pacotes”
Na física quântica, algumas formas de energia aparecem em unidades discretas.
No caso da luz, essas unidades são os fótons. No caso das vibrações de um material, os cientistas utilizam o conceito de fônon.
Um fônon não é exatamente uma partícula como um pequeno objeto independente. Ele representa uma quantidade quantizada de movimento coletivo dos átomos de um material.
No cotidiano, esse comportamento é impossível de perceber.
Quando uma campainha ou um diapasão vibra, por exemplo, ouvimos o som diminuir gradualmente até desaparecer. Na escala quântica, porém, a energia vibracional pode passar entre níveis bem definidos.
O experimento de Stanford permitiu acompanhar justamente a transição de um estado com um fônon para outro sem nenhum: de 1 para 0.
Um “diapasão” microscópico tornou o experimento possível
Para enxergar o fenômeno, os pesquisadores construíram um resonador mecânico microscópico utilizando técnicas semelhantes às empregadas na fabricação de chips.
O dispositivo funciona como uma espécie de diapasão minúsculo.
Sua característica mais importante é conseguir manter uma vibração durante aproximadamente dois milissegundos. Pode parecer pouco, mas é um período extraordinariamente longo nessa escala.
Segundo os pesquisadores, proporcionalmente seria como se um diapasão convencional continuasse vibrando durante várias horas.
Essa duração permitiu realizar centenas de medições enquanto o sistema permanecia ativo.
Assim, em vez de simplesmente detectar que a energia havia desaparecido, os cientistas conseguiram determinar quando exatamente ocorreu o salto entre os dois estados.
Como observar algo quântico sem destruí-lo
Esse experimento exigiu resolver um dos grandes problemas da engenharia quântica: medir um sistema sem perturbar demais o estado extremamente frágil que se pretende observar.
A solução foi conectar o resonador mecânico a um qubit supercondutor.
Qubits são unidades utilizadas para armazenar e manipular informação quântica. Nesse caso, o dispositivo também funcionou como um pequeno detector elétrico.
Durante os dois milissegundos de vibração, o qubit verificava repetidamente se o resonador estava no nível energético 1 ou 0.
Essa sequência de medições revelou o instante em que o fônon desaparecia e o sistema realizava seu salto quântico.
Segundo Safavi-Naeini, demonstrar que objetos vibratórios podem apresentar esse tipo de comportamento é importante porque sistemas mecânicos podem participar de operações necessárias para tecnologias de computação e detecção quânticas.
Descoberta pode ajudar computadores quânticos
Uma das aplicações mais promissoras está na correção de erros.
Computadores quânticos conseguem, em princípio, realizar determinados cálculos extremamente complexos. O problema é que os estados utilizados para armazenar informações são muito sensíveis ao ambiente.
Pequenas perturbações podem introduzir erros antes que uma operação seja concluída.
Em diversas arquiteturas, um salto quântico pode representar justamente um desses erros. Saber exatamente quando ele acontece permitiria desenvolver mecanismos capazes de detectá-lo e eventualmente corrigi-lo.
Por isso, acompanhar saltos individuais em sistemas mecânicos pode fornecer uma nova ferramenta para tornar computadores quânticos mais confiáveis.
De computadores quânticos à detecção de proteínas
O tamanho extremamente reduzido do resonador também oferece outra vantagem: vários deles poderiam ser integrados em um único chip.
Além da computação quântica, a combinação entre resonadores mecânicos e qubits pode funcionar como um sensor de altíssima precisão.
A equipe de Stanford já trabalha com pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) para investigar uma aplicação especialmente ambiciosa: utilizar a plataforma para detectar e identificar proteínas dentro de células.
O experimento ainda representa um primeiro passo. Mas observar diretamente um único fônon saltando entre níveis de energia mostra que o estranho comportamento quântico não pertence apenas à luz ou às partículas subatômicas.
Até algo tão familiar quanto uma vibração pode revelar, quando observado na escala certa, que a natureza não muda sempre de maneira contínua. Às vezes, ela simplesmente dá um salto.
[ Fonte: 20 Minutos ]
