Osciladores macroscópicos movem-se como um só no nível quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/05/2025

Um hexâmero de osciladores mecânicos macroscópicos para estudar fenômenos quânticos coletivos.
[Imagem: Mahdi Chegnizadeh/EPFL]

Osciladores quânticos acoplados

As tecnologias quânticas estão transformando nossa interação, nossa computação e até nossa compreensão do Universo.

E isso inclui atualizações de tecnologias clássicas já conhecidas. É o caso dos osciladores mecânicos, dispositivos atualmente macroscópicos que são vitais nos relógios, celulares e lasers. Construir osciladores macroscópicos quânticos - sensíveis à ação de elétrons ou fótons, por exemplo - pode ter muitas vantagens, como viabilizar sensores e componentes ultrassensíveis para comunicações ultrasseguras, computação quântica, equipamentos neurológicos e uma infinidade de outras possibilidades.

A grande dificuldade está em controlar os osciladores mecânicos em nível quântico, já que sair dos osciladores quânticos individuais, rumo a dispositivos que tirem proveito de um comportamento coletivo, em que muitos osciladores atuam como um só, exige que as diferentes unidades sejam fabricadas quase idênticas, ou seja, próximas da perfeição.

A boa notícia é que Mahdi Chegnizadeh e colegas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, estão trabalhando nisso e acabam de colher os primeiros frutos. Eles conseguiram fabricar e por para funcionar seis osciladores mecânicos quânticos em um estado coletivo.

"Isso é possível devido à desordem extremamente baixa entre as frequências mecânicas em uma plataforma supercondutora, atingindo níveis tão baixos quanto 0,1%," detalhou o pesquisador. "Essa precisão permitiu que os osciladores entrassem em um estado coletivo, onde se comportam como um sistema unificado, em vez de componentes independentes."

Detalhes do aparato experimental.
[Imagem: Mahdi Chegnizadeh et al. - 10.1126/science.adr8187]

Comportamento quântico coletivo

Para permitir a observação dos efeitos quânticos coletivos, a equipe utilizou o resfriamento de banda lateral, uma técnica que reduz a energia dos osciladores ao seu estado fundamental quântico - a menor energia possível permitida pela mecânica quântica.

O resfriamento de banda lateral funciona projetando um laser em um oscilador, com a luz do laser ajustada para uma frequência ligeiramente abaixo da frequência natural do oscilador. A energia da luz interage com o sistema vibratório de modo a extrair energia dele, fazendo-o resfriar-se. O resfriamento é crucial para a observação dos efeitos quânticos, que são muito delicados, já que reduz as vibrações térmicas e aproxima o sistema da imobilidade.

A transição da dinâmica individual para a dinâmica coletiva é feita reforçando o acoplamento entre uma cavidade de micro-ondas e os osciladores. "Mais interessante ainda, ao preparar o modo coletivo em seu estado fundamental quântico, observamos a assimetria quântica de banda lateral, que é a marca registrada do movimento coletivo quântico. Normalmente, o movimento quântico é confinado a um único objeto, mas aqui ele abrangeu todo o sistema de osciladores," disse o pesquisador Marco Scigliuzzo.

Os pesquisadores também observaram taxas de resfriamento mais altas e o surgimento de modos mecânicos "escuros", ou seja, modos que não interagem com a cavidade do sistema, o que permite que eles retenham maior energia.

O aparato também fornece uma confirmação experimental de teorias sobre o comportamento quântico coletivo em sistemas mecânicos e abre novas possibilidades para a exploração dos frágeis estados quânticos individuais, que aqui são muito reforçados. Isso terá implicações importantes para o futuro das tecnologias quânticas, já que a capacidade de controlar o movimento quântico coletivo em sistemas mecânicos pode levar a avanços na detecção quântica (sensores) e na geração de entrelaçamento entre múltiplas partículas.

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