Como a divisão do som pode levar a um novo tipo de computador quântico

Quando você acende uma lâmpada para iluminar uma sala, você experimenta energia luminosa transmitida como fótons, que são pequenos e discretos pacotes quânticos de energia. Estes fotões devem obedecer às leis por vezes estranhas da mecânica quântica, que, por exemplo, ditam que os fotões são indivisíveis, mas ao mesmo tempo permitem que um fotão esteja em dois lugares ao mesmo tempo.

Semelhante aos fótons que constituem os feixes de luz, partículas quânticas indivisíveis chamadas fônons constituem um feixe de som. Estas partículas emergem do movimento colectivo de quatriliões de átomos, tal como uma “onda de estádio” numa arena desportiva se deve ao movimento de milhares de adeptos individuais. Quando você ouve uma música, você ouve um fluxo dessas partículas quânticas muito pequenas.

Originalmente concebidos para explicar as capacidades térmicas dos sólidos, prevê-se que os fônons obedeçam às mesmas regras da mecânica quântica que os fótons. A tecnologia para gerar e detectar fônons individuais, entretanto, ficou atrás da dos fótons.

Essa tecnologia só agora está a ser desenvolvida, em parte pelo meu grupo de investigação na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago. Estamos explorando as propriedades quânticas fundamentais do som, dividindo os fônons ao meio e entrelaçando-os.

A pesquisa fundamental do meu grupo sobre fônons poderá um dia permitir que os pesquisadores construam um novo tipo de computador quântico, chamado computador quântico mecânico.

Para explorar as propriedades quânticas dos fônons, nossa equipe usa espelhos acústicos, que podem direcionar feixes de som. As nossas experiências mais recentes, publicadas numa edição recente da revista Science, contudo, envolvem espelhos “maus”, chamados divisores de feixe, que reflectem cerca de metade do som enviado na sua direcção e deixam passar a outra metade. Nossa equipe decidiu explorar o que acontece quando direcionamos um fônon para um divisor de feixe.

Como um fônon é indivisível; não pode ser dividido. Em vez disso, depois de interagir com o divisor de feixe, o fônon termina no que é chamado de “estado de superposição”. Nesse estado, o fônon é, paradoxalmente, refletido e transmitido, e é igualmente provável que você detecte o fônon em qualquer um dos estados. Se você intervir e detectar o fônon, metade das vezes você medirá que ele foi refletido e metade das vezes que foi transmitido; de certo modo, o estado é selecionado aleatoriamente pelo detector. Na ausência do processo de detecção, o fônon permanecerá no estado de superposição, sendo transmitido e refletido.

Este efeito de superposição foi observado há muitos anos com fótons. Nossos resultados indicam que os fônons têm a mesma propriedade.

Depois de demonstrar que os fônons podem entrar em superposições quânticas assim como os fótons, minha equipe fez uma pergunta mais complexa. Queríamos saber o que aconteceria se enviássemos dois fônons idênticos para o divisor de feixe, um de cada direção.

Acontece que cada fônon entrará em um estado de superposição semelhante, meio transmitido e meio refletido. Mas, devido à física do divisor de feixe, se cronometrarmos os fônons com precisão, eles interferirão mecanicamente quântica um com o outro. O que emerge é na verdade um estado de superposição de dois fônons indo para um lado e dois fônons indo para o outro - os dois fônons estão, portanto, emaranhados mecanicamente quântica.

No emaranhamento quântico, cada fônon está em uma superposição de refletido e transmitido, mas os dois fônons estão interligados. Isso significa que detectar um fônon como tendo sido transmitido ou refletido força o outro fônon a estar no mesmo estado.

Então, se você detectar, sempre detectará dois fônons, indo para um lado ou para outro, nunca um fônon indo para cada lado. Este mesmo efeito para a luz, a combinação de superposição e interferência de dois fótons, é chamado de efeito Hong-Ou-Mandel, em homenagem aos três físicos que o previram e observaram pela primeira vez em 1987. Agora, meu grupo demonstrou esse efeito com som.

Estes resultados sugerem que agora pode ser possível construir um computador quântico mecânico usando fônons. Existem esforços contínuos para construir computadores quânticos ópticos que requerem apenas a emissão, detecção e interferência de fótons únicos. Estes estão em paralelo com os esforços para construir computadores quânticos eléctricos, que através da utilização de um grande número de partículas emaranhadas prometem uma aceleração exponencial para certos problemas, tais como factorização de grandes números ou simulação de sistemas quânticos.