Nanotecnologia

Qubits supercondutores funcionam como motores quânticos

Qubits supercondutores funcionam como motores quânticos
Nessa arquitetura de duplo poço quântico, o poço da esquerda fica estático, enquanto o da direita oscila, permitindo a geração de trabalho.[Imagem: APS Sachtleben et al.- 10.1103/PhysRevLett.119.090601]

Qubits motorizados

Os motores quânticos ainda parecem estranhos e fora de escala - eles são minúsculos - mas esse quadro pode mudar rapidamente, não apenas ajudando a entender melhor o funcionamento dos processos naturais, como também abrindo possibilidades de aplicações tecnológicas.

Um trio de físicos da Universidade Federal de Santa Catarina acaba de demonstrar que os mesmos circuitos supercondutores que estão na base de uma das abordagens mais promissoras para a construção dos computadores quânticos podem ser usados como motores quânticos - equivalentes microscópicos dos motores de automóvel.

Kewin Sachtleben, Kahio Mazon e Luis Rego mostraram que os qubits supercondutores são funcionalmente equivalentes a sistemas nos quais partículas quânticas tunelam através de depósitos especiais, conhecidos como poços quânticos.

Motor quântico a pistão

Os poços quânticos têm a capacidade de oscilar, o que significa que sua largura muda repetidamente. Quando isso acontece, o sistema se comporta como o pistão do motor de um automóvel, que se move para cima e para baixo no interior de um cilindro. E esse comportamento oscilatório permite que seja realizado trabalho no sistema.

Os físicos demonstraram, contudo, que, no poço quântico duplo, entre os quais as partículas tunelam, parte desse trabalho vem de dinâmicas quânticas coerentes, o que cria um atrito que diminui a produção do trabalho - o que é diferente do motor quântico capaz de gerar trabalho sem produzir nenhum atrito.

Estes resultados proporcionam uma melhor compreensão da conexão entre o trabalho termodinâmico quântico e o trabalho termodinâmico clássico.

Qubits supercondutores funcionam como motores quânticos
O menor motor do mundo é um motor quântico feito com um único átomo de cálcio. [Imagem: Johannes Robnagel]

"A distinção entre o trabalho termodinâmico 'clássico', responsável pela transferência de população, e um componente quântico, responsável pela criação de coerências, é um resultado importante," disse Mazon em entrevista à Phys.org. "A criação de coerências, por sua vez, gera um efeito similar ao atrito, causando uma operação não completamente reversível do motor. Em nosso trabalho conseguimos calcular a força de reação causada sobre a parede do pistão quântico devido à criação de coerências. Em princípio essa força pode ser medida, abrindo a possibilidade experimental de observar o surgimento de coerências durante a operação do motor quântico."

Entender a natureza e aplicações

Um dos possíveis benefícios de encarar os qubits supercondutores como motores quânticos é que isso pode permitir incorporar dinâmicas quânticas coerentes em futuras tecnologias, particularmente nos computadores quânticos. Os físicos explicam em seu artigo que um comportamento semelhante pode ser visto na natureza, onde as coerências quânticas melhoram a eficiência de processos como a fotossíntese, a detecção de luz e outros processos naturais.

"As máquinas quânticas podem ter aplicações no campo da informação quântica, onde a energia das coerências quânticas é usada para realizar a manipulação da informação," disse Mazon. "Vale lembrar que mesmo a fotossíntese pode ser descrita de acordo com os princípios de funcionamento de uma máquina quântica, de modo que desvendar os mistérios da termodinâmica quântica pode nos ajudar a entender e interpretar melhor os diferentes processos naturais".

Bibliografia:

Superconducting Qubits as Mechanical Quantum Engines
Kewin Sachtleben, Kahio T. Mazon, Luis G. C. Rego
Physical Review Letters
Vol.: 119, 090601
DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.090601




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