Os futuros computadores quânticos serão mais rápidos que os computadores atuais, graças ao fenômeno do emaranhamento quântico. Um estudo publicado na edição de outubro do Brazilian Journal of Physics demonstra como o emaranhamento quântico de um conjunto pequeno de átomos frios pode ajudar a entender o mesmo fenômeno em sistemas maiores e mais difíceis de se estudar em laboratório.
Quando duas ou mais partículas quânticas estão emaranhadas, é possível extrair e manipular informações sobre cada uma das partículas do conjunto mexendo em apenas uma delas. Assim, seria possível, em princípio, construir um computador que explorasse o emaranhamento para acelerar seu processamento de informações. Atualmente os físicos conseguem criar conjuntos de dezenas de núcleos atômicos, elétrons ou fótons emaranhados. Mas manter conjuntos com um número muito grande de partículas emaranhadas por tempo suficiente para que funcionem como um computador na prática ainda é um grande desafio.
Krissia Zawadzki e Luiz Nunes de Oliveira, do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo, se juntaram a Irene D’Amico, da Universidade de York, Reino Unido, para estudar o emaranhamento de conjuntos pequenos de no máximo sete partículas quânticas. Seus cálculos se basearam em um modelo matemático simples, mas poderoso, o chamado Modelo de Hubbard. “Quase todas transições de fase e estados exóticos da matéria podem ser estudados usando o modelo de Hubbard”, explica Zawadzki. “Ajustando seus parâmetros, podemos modelar pontos quânticos, átomos frios em armadilhas ópticas, correntes de elétrons em um material semicondutor, etc.”
No modelo de Hubbard (figura acima), partículas quânticas com spin para cima ou para baixo podem ocupar uma série de sítios em cadeia. As partículas têm energia cinética para pular de sítio em sítio. Um mesmo sítio só pode ser ocupado por até duas partículas de spins opostos. Os cálculos do modelo podem ser feitos com as duas pontas da cadeia de sítios soltas ou ligadas uma na outra, formando um círculo. Existe ainda a possibilidade de se conectar as duas extremidades da cadeia dando antes uma “torcida” nelas.
Logo o trio de físicos teóricos percebeu que impor uma torção de ângulo específico às pontas interligadas da cadeia fazia com que os níveis de energia de um modelo de Hubbard com apenas sete sítios fossem praticamente iguais aos níveis de energia de um modelo de Hubbard com um número infinito de sítios. Além disso, a cadeia de sete sítios com torção especial apresentava as principais simetrias ou propriedades fundamentais de uma cadeia infinita. Esse resultado foi publicado ano passado, também no Brazilian Journal of Physics.
No estudo publicado agora, a equipe retornou ao mesmo modelo, focalizando no fenômeno do emaranhamento. “Calculamos como, em média, cada partícula está emaranhada com as restantes da cadeia”, conta Zawadzki. “Se a torção for bem ajustada, uma cadeia com sete partículas tem o mesmo perfil de emaranhamento médio de uma cadeia infinita.”
Zawadzki ressalta que as condições obtidas por seus cálculos poderiam ser realizadas em laboratório. Físicos experimentais já criaram cadeias de Hubbard com sete ou mais átomos, resfriados até quase o zero absoluto e mantidos em fila pelos feixes laser de uma armadilha óptica. Na prática, a condição de torção seria criada aplicando um fluxo magnético específico.
A pesquisa foi realizada com apoio de FAPESP, CNPq, CAPES e Royal Society, em paralelo à tese de doutorado de Zawadzki, orientada por Oliveira e D’Amico. Zawadzki segue agora para um estágio de pós-doutorado na Universidade Northeastern, em Boston, Estados Unidos, com bolsa de jovem pesquisadora “Faculty for the Future for women in STEM”, da Schlumberger Foundation.