Cientistas agora podem “ver” coisas sem “olhar” para elas usando uma nova técnica quântica

IE, 22/12/2022 

Por Chris McFadden 

"Também demonstramos que mesmo pulsos de micro-ondas de baixa potência podem ser detectados com eficiência usando nosso protocolo."

Uma equipe de cientistas desenvolveu um meio de usar a mecânica quântica para "ver" objetos indiretamente. O novo método pode melhorar as medições para computadores quânticos e outros sistemas. Ele reúne os mundos quântico e clássico.

Nós "vemos" as coisas por meio da complexa interação de fótons de luz dentro de células especializadas na retina de nossos olhos. No entanto, alguns cientistas especularam que um fenômeno semelhante poderia ser replicado sem fotoabsorção ou sem luz.

Se pudéssemos, seríamos capazes de estudar as coisas indiretamente sem "contamina-las" com fótons de luz ou influenciar um sistema ao tentar estudá-lo. Imagine usar a luz para estudar uma tira de um filme fotossensível sem "danificá-lo".

Acontece que, de acordo com essa descoberta inovadora, parece que sim.

Como parte de um estudo sobre a relação entre os mundos quântico e clássico, Shruti Dogra, John J. McCord e Gheorghe Sorin Paraoanu, da Aalto University, descobriram uma maneira nova e muito melhor de fazer testes sem interação.

Os cientistas empregaram dispositivos transmon, circuitos supercondutores relativamente grandes que exibem comportamento quântico, para encontrar pulsos de micro-ondas produzidos por instrumentação convencional.

Embora o trabalho da equipe de pesquisa de Zeilinger tenha interessado Dogra e Paraoanu, seu laboratório está focado em micro-ondas e supercondutores, em vez de lasers e espelhos.

"Tivemos que adaptar o conceito às diferentes ferramentas experimentais disponíveis para dispositivos supercondutores. Por causa disso, também tivemos que mudar o protocolo livre de interação padrão [crucialmente]: adicionamos outra camada de 'quantidade' usando um nível de energia mais alto do transmon. Em seguida, usamos a coerência quântica do sistema de três níveis resultante como recurso”, explicou Paraoanu.

A coerência quântica é a capacidade de um objeto existir em dois estados separados simultaneamente, algo que a física quântica permite. Não ficou imediatamente claro se o novo protocolo funcionaria porque a coerência quântica é frágil e entra em colapso facilmente.

Para surpresa da equipe, as execuções iniciais do experimento demonstraram uma eficiência de detecção consideravelmente maior. Eles repetidamente voltaram à prancheta, testaram suas descobertas usando modelos teóricos e verificaram tudo. Houve, sem dúvida, um impacto.

“Também demonstramos que mesmo pulsos de micro-ondas de potência muito baixa podem ser detectados com eficiência usando nosso protocolo”, diz Dogra.

O experimento também demonstrou um novo método para usar dispositivos quânticos para obter uma vantagem sobre os clássicos, conhecida como vantagem quântica. O consenso dos pesquisadores é que alcançar uma vantagem quântica exigirá computadores quânticos com vários qubits.

No entanto, esse experimento provou ser uma vantagem quântica absoluta com uma configuração relativamente simples.

Que tipo de aplicações essa nova técnica poderia render?

Imagens ópticas, detecção de ruído e distribuição de chaves criptográficas são apenas alguns processos especializados em que medições sem interação baseadas em métodos antigos menos eficientes já foram usadas. A abordagem nova e aprimorada pode aumentar significativamente a eficácia desses processos.

“Na computação quântica, nosso método pode ser aplicado para diagnosticar estados de fótons de micro-ondas em certos elementos de memória. Isso pode ser considerado uma maneira altamente eficiente de extrair informações sem perturbar o funcionamento do processador quântico”, explicou Paraoanu.

A equipe liderada por Paraoanu também está experimentando outras novas formas de processar informações, como computação quântica contrafactual e comunicação contrafactual, que envolve duas pessoas se comunicando sem trocar nenhuma partícula física (onde o resultado de uma computação é obtido sem executar o computador).

Você pode ver o estudo por si mesmo na revista  Nature Communications.

Resumo do estudo:

"A medição livre de interação é um efeito quântico fundamental pelo qual a presença de um objeto fotossensível é determinada sem absorção irreversível de fótons. Aqui propomos o conceito de detecção livre de interação coerente e o demonstramos experimentalmente usando um circuito transmon supercondutor de três níveis. E em contraste com configurações de medição livres de interação padrão, onde a dinâmica envolve uma série de operações de projeção, nosso protocolo emprega uma evolução totalmente coerente que resulta, surpreendentemente, em uma maior probabilidade de sucesso. Mostramos que é possível verificar a presença de um pulso de micro-ondas ressonante com a segunda transição do transmon, enquanto ao mesmo tempo evita excitar o dispositivo para o terceiro nível. Experimentalmente,isso é feito usando uma série de pulsos de microondas Ramsey acoplados na primeira transição e monitorando a população do estado fundamental."

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Fonte:https://interestingengineering.com/science/quantum-mechanics-to-observe-things