Medida a velocidade máxima de um átomo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/03/2021

Uma correia transportadora de luz permitiu medir a velocidade máxima com que os átomos podem ser movidos sem perturbar seus estados quânticos.
[Imagem: A. Alberti/Univ. of Bonn]

Limite de velocidade fundamental

O mundo quântico tem um limite máximo de velocidade e a pena para quem ultrapassa a velocidade máxima é drástica: Uma "lavagem cerebral", com a perda total da memória do infrator.

Nos anos 1960, os físicos Leonid Mandelstam e Igor Tamm previram a existência desse limite quântico de velocidade.

Eles demonstraram teoricamente que a velocidade máxima de um processo quântico depende da incerteza energética, ou seja, de quão livre a partícula manipulada está em relação aos seus possíveis estados de energia, podendo saltar de um para o outro: Quanto mais liberdade energética ela tem, mais rápida ela pode ser.

Agora, Manolo Rivera e seus colegas da Universidade de Bonn, na Alemanha, conseguiram confirmar experimentalmente esse limite de velocidade.

Além de trazer novos esclarecimentos sobre um elemento fundamental da física, o trabalho tem implicações nas tecnologias quânticas.

Por exemplo, perturbações do ambiente - o chamado ruído - degradam o desempenho dos computadores quânticos, e fazer os cálculos o mais rápido possível é uma forma de reduzir esses efeitos. Mas fazer cálculos muito rapidamente também pode levar à perda de informações, portanto é preciso conhecer o limite de velocidade nesses sistemas.

Velocidade máxima de um átomo

No mundo macro é fácil testar a velocidade de um objeto, mas acelerar um átomo não é tão simples quanto arremessar uma bola de bilhar. De fato, com suas partículas constituintes se comportando como ondas, um átomo é na verdade mais parecido com um líquido do que com um sólido.

Rivera e seus colegas criaram então um sistema parecido com uma correia transportadora usada na indústria, só que a correia é formada por luz, com os vales e picos da onda de luz servindo como um impulsionador para um átomo de césio.

Eles mediam o estado quântico do átomo no início da jornada - você pode pensar nesse estado quântico como o dado gravado em um qubit -, impulsionavam o átomo por uma distância de 0,5 micrômetro, o que é uma baita viagem para um átomo, e então mediam de novo o dado no átomo ao fim da jornada.

Segundo seus resultados, o átomo de césio não pode ser transportado a uma velocidade maior do que 17 milímetros por segundo (17 mm/s) sob pena de se detonar todo o seu estado quântico, ou seja, desse virtual qubit perder a memória.

É uma velocidade muito baixa - 61,2 metros por hora, dez vezes menor do que a velocidade máxima do som - mas é bom lembrar que esse transporte depende da incerteza energética do átomo. Além disso, o experimento revelou que, além dessa incerteza, já teorizada por Mandelstam e Tamn, a velocidade máxima depende da quantidade de estados intermediários em que o átomo é posto, ou seja, em quantos "empurrões" as ondas de luz lhe deram.

Para entender essa última descoberta é necessário entrar em mais alguns detalhes.

Manolo Rivera (esquerda) e Andrea Alberti ajustam a correia transportadora de átomos.
[Imagem: Volker Lannert/Uni Bonn]

Entre o transporte e o teletransporte

O limite de velocidade de Mandelstam e Tamm é um limite fundamental.

No entanto, só se pode alcançá-lo em certas circunstâncias, a saber, em sistemas com apenas dois estados quânticos, o que equivale a um ponto de largada e um ponto de chegada.

"No nosso caso, por exemplo, isso acontece quando o ponto de origem e o destino são muito próximos," explica Rivera. "Então, as ondas de matéria do átomo em ambas as localizações se sobrepõem, e o átomo poderia ser transportado diretamente para seu destino de uma vez, isto é, sem nenhuma parada no meio - quase como o teletransporte na nave estelar Enterprise de Jornada nas Estrelas."

No entanto, a situação é diferente quando a distância aumenta para várias dezenas de vezes a dimensão do átomo sendo transportado, como neste experimento. Para essas distâncias, o teletransporte direto é impossível. Em vez disso, a partícula deve passar por vários estados intermediários para chegar ao seu destino final.

Assim, o sistema de dois níveis torna-se um sistema de vários níveis, sendo que cada nível impõe uma restrição adicional ao movimento do átomo sem perda de suas informações.

Ou seja, já que não dá para usar a sala de teletransporte, teremos que esperar por melhorias na correia transportadora de luz ou pela criação de mecanismos em que o átomo viaje de "primeira classe", sem grandes riscos para sua tranquilidade quântica.

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