Um novo estudo sobre fótons na computação quântica fez uma descoberta surpreendente: quando os fótons colidem, eles criam vórtices.
Pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciência descobriram um novo tipo de vórtice formado por
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Fenômenos de Vórtice
Os vórtices são um fenômeno natural generalizado, observável nas formações rodopiantes de galáxias, tornados e furacões, bem como em ambientes mais simples, como uma xícara de chá agitada ou a água escorrendo pelo ralo de uma banheira. Normalmente, os vórtices surgem quando uma substância em movimento rápido, como o ar ou a água, encontra uma área de movimento mais lento, criando um movimento circular em torno de um eixo fixo. Essencialmente, os vórtices servem para reconciliar as diferenças nas velocidades de fluxo entre regiões adjacentes.
Um anel de vórtice e linhas criadas pela influência de três fótons um sobre o outro. A cor descreve a fase do campo elétrico, que completa uma rotação de 360 graus em torno do núcleo do vórtice. Crédito: Instituto Weizmann de Ciência
Descoberta de um novo tipo de vórtice
Um tipo de vórtice até então desconhecido foi agora descoberto em um estudo publicado em CiênciaBankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar e Dr. Gal Winer do laboratório do Prof. Ofer Firstenberg no Departamento de Física de Sistemas Complexos do Weizmann Institute of Science. Os pesquisadores começaram a procurar uma maneira eficiente de usar fótons para processar dados em computadores quânticos e descobriram algo inesperado: perceberam que, no raro evento em que dois fótons interagem, eles criam vórtices. Esta descoberta não só contribui para a compreensão fundamental dos vórtices, como também pode, em última análise, contribuir para o objetivo original do estudo de melhorar o processamento de dados na computação quântica.
Interações de fótons e computação quântica
A interação entre fótons – partículas de luz que também se comportam como ondas – só é possível na presença de matéria que serve de intermediária. Em seu experimento, os pesquisadores forçaram os fótons a interagir criando um ambiente único: uma célula de vidro de 10 centímetros que estava completamente vazia, exceto pelos átomos de rubídio que estavam tão compactados no centro do recipiente que formaram um gás pequeno e denso. nuvem com cerca de 1 milímetro de comprimento. Os investigadores dispararam cada vez mais fotões através desta nuvem, examinaram o seu estado depois de terem passado por ela e verificaram se tinham influenciado uns aos outros de alguma forma.
Quando a nuvem de gás estava mais densa e os fótons estavam próximos uns dos outros, eles exerciam o mais alto nível de influência mútua.
Interações Dinâmicas em Nuvens Densas de Gás
“Quando os fótons passam através da densa nuvem de gás, eles enviam vários átomos para estados eletronicamente excitados, conhecidos como estados de Rydberg”, explica Firstenberg. “Nesses estados, um dos elétrons do
” dados-gt-translate-attributes=”[{[{“atributo”:”data-cmtooltip”, “formatar”:”HTML”}]” tabindex=”0″ role=”link”>atom começa a se mover em uma órbita 1.000 vezes maior que o diâmetro de um átomo não excitado. Este elétron cria um campo elétrico que influencia um grande número de átomos adjacentes, transformando-os em uma espécie de ‘bola de vidro’ imaginária.”
A imagem de uma bola de vidro reflecte o facto de o segundo fotão presente na área não poder ignorar o ambiente que o primeiro fotão criou e, em resposta, altera a sua velocidade – como se tivesse passado através de um vidro. Assim, quando dois fótons passam relativamente próximos um do outro, eles se movem a uma velocidade diferente da que teriam se estivessem viajando sozinhos. E quando a velocidade do fóton muda, também muda a posição dos picos e vales da onda que ele carrega. No caso ideal para a utilização de fotões na computação quântica, as posições dos picos e vales tornam-se completamente invertidas umas em relação às outras, devido à influência que os fotões têm uns sobre os outros – um fenómeno conhecido como mudança de fase de 180 graus.
Do canto inferior esquerdo, no sentido horário: Dr. Lee Drori, Tomer Danino Zohar, Dr. Crédito: Instituto Weizmann de Ciência
Pesquisa pioneira em dinâmica de fótons
A direção que a pesquisa tomou foi tão única e extraordinária quanto os caminhos dos fótons na nuvem de gás. O estudo, que também incluiu o Dr. Eilon Poem e o Dr. Alexander Poddubny, começou há oito anos e viu duas gerações de estudantes de doutorado passarem pelo laboratório de Firstenberg.
Com o tempo, os cientistas de Weizmann conseguiram criar uma nuvem de gás densa e ultrafria, repleta de átomos. Como resultado, alcançaram algo sem precedentes: fotões que sofreram uma mudança de fase de 180 graus – e por vezes mais. Quando a nuvem de gás estava mais densa e os fótons estavam próximos uns dos outros, eles exerciam o mais alto nível de influência mútua. Mas quando os fótons se afastaram uns dos outros ou a densidade atômica ao seu redor caiu, a mudança de fase enfraqueceu e desapareceu.
O comportamento surpreendente dos vórtices de fótons
A suposição predominante era que esse enfraquecimento seria um processo gradual, mas os pesquisadores tiveram uma surpresa: um par de vórtices se desenvolveu quando dois fótons estavam separados por uma certa distância. Em cada um destes vórtices, os fotões completaram uma mudança de fase de 360 graus e, no seu centro, quase não havia fotões – tal como no centro escuro que conhecemos de outros vórtices.
Os cientistas descobriram que a presença de um único fóton afetou 50 mil átomos, o que por sua vez influenciou o movimento de um segundo fóton.
Insights sobre a dinâmica do vórtice de fótons
Para entender os vórtices de fótons, pense no que acontece quando você arrasta uma placa verticalmente pela água. O movimento rápido da água empurrado pela placa encontra o movimento mais lento ao seu redor. Isso cria dois vórtices que, quando vistos de cima, parecem se mover juntos ao longo da superfície da água, mas na verdade fazem parte de uma configuração tridimensional conhecida como anel de vórtice: a parte submersa da placa cria meio anel , que conecta os dois vórtices visíveis na superfície, forçando-os a se moverem juntos.
Outro exemplo familiar de anéis de vórtice são os anéis de fumaça. Nas últimas etapas do estudo, os pesquisadores observaram esse fenômeno quando introduziram um terceiro fóton, o que acrescentou uma dimensão extra às descobertas: os cientistas descobriram que os dois vórtices observados ao medir dois fótons fazem parte de um anel de vórtice tridimensional gerado pela influência mútua dos três fótons. Estas descobertas demonstram quão semelhantes são os vórtices recém-descobertos com os conhecidos em outros ambientes.
Avanços em direção ao processamento de dados quânticos
Os vórtices podem ter roubado a cena neste estudo, mas os pesquisadores continuam a trabalhar em direção ao seu objetivo de processamento quântico de dados. A próxima etapa do estudo será disparar os fótons uns contra os outros e medir a mudança de fase de cada fóton separadamente. Dependendo da força das mudanças de fase, os fótons poderiam ser usados como qubits – as unidades básicas de informação na computação quântica. Ao contrário das unidades de memória normal do computador, que podem ser 0 ou 1, os bits quânticos podem representar uma faixa de valores entre 0 e 1 simultaneamente.
Referência: “Vórtices quânticos de fótons fortemente interagindo” por Lee Drori, Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar, Gal Winer, Eilon Poem, Alexander Poddubny e Ofer Firstenberg, 13 de julho de 2023, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adh5315
A pesquisa do Prof. Ofer Firstenberg é apoiada pelo Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust, pela Shimon and Golde Picker – Weizmann Annual Grant e pelo Laboratory in Memory of Leon e Blacky Broder, Suíça.
