Quando os spins dos átomos de fósforo no silício são energizados com micro-ondas, um sinal de eco quântico de spin pode ser detectado após um certo tempo.
As partículas fundamentais podem ter um momento angular que aponta para uma determinada direção – uma espécie de “spin”, rotação ou, como é mais comumente conhecido, um spin.
E o spin de uma partícula pode ser manipulado por um campo magnético. Este princípio é a ideia básica por trás da imagem por ressonância magnética usada em hospitais, componentes spintrônicos e vários tipos de qubits usados na computação quântica.
Uma das grandes dificuldades em todas essas aplicações é que um determinado spin – ou, mais geralmente, um estado quântico de uma partícula – é muito frágil, sendo perdido por ruído ou interferência mínima.
Uma equipe de pesquisa internacional descobriu agora um efeito surpreendente que é particularmente adequado para lidar com esse ruído e processar informações quânticas de uma forma robusta: os spins dos átomos de fósforo inseridos em um wafer de silício produzem um eco. E assim como os ecos sônicos, o eco do spin se repete em uma série que leva muito tempo para desaparecer.
A diferença com o eco sonoro é que aqui a coisa não se faz em grito, mas com pulsos de energia. Quando um spin original é reforçado com pulsos de micro-ondas, ele produz um eco de spin que pode ser detectado após um certo tempo, com o sinal do pulso injetado sendo reemitido como um eco quântico.
Isso significa que os dados armazenados na partícula se tornam muito mais robustos – se os dados forem perdidos, ainda serão estampados nos ecos – diminuindo a taxa de erro e melhorando a eficiência do sistema.
O que é Quantum echo?
Os ecos quânticos não são exatamente uma novidade, mas os pulsos de energia que os geram atingem uma multiplicidade de átomos, que respondem em tempos diferentes, o que na prática produz mais uma confusão de giros em movimento e ecos múltiplos do que uma situação estável.
O que Stefan Weichselbaumer e seus colegas da Universidade de Viena descobriram é que é possível reverter esse caos aparente com a ajuda de outro pulso eletromagnético – um pulso adequado pode reverter a rotação do spin, fazendo com que todos se coordenem novamente.
Os componentes spintrônicos quase não gastam energia, além do spin dos elétrons poder acionar micro-máquinas.
“Você pode imaginar que é um pouco como correr uma maratona”, ilustrou o professor Stefan Rotter. “No sinal de largada, todos os corredores ainda estão juntos. Como alguns corredores são mais rápidos do que outros, o grupo de corredores fica cada vez maior com o tempo. No entanto, se todos os corredores recebessem o sinal para voltar à partida, todos os corredores voltariam à partida mais ou menos ao mesmo tempo, embora os corredores mais rápidos tenham que cobrir uma distância maior para trás do que os corredores mais lentos ”.
O eco quântico representa exatamente isso – um eco de quando todos os spins foram alinhados inicialmente. “O que é notável é que não fomos capazes de medir apenas um único eco, mas uma série de vários ecos”, disse Hans Hubl, um membro da equipe.
Informações quânticas e testes médicos
A equipe também conseguiu identificar como é possível que esse eco quântico faça com que todos os corredores voltem ao ponto de partida como num passe de mágica. O que ocorre é um forte acoplamento entre os spins e os fótons do ressonador de microondas usado para energizá-los. “Esse acoplamento é a essência do nosso experimento: você pode armazenar informações nos spins e, com a ajuda dos fótons de microondas no ressonador, pode modificá-los ou lê-los”, explicou Hubl.
A física do spin eco é de grande importância para aplicações técnicas, podendo melhorar os exames de ressonância magnética, por exemplo. Mas a equipe pretende concentrar seus esforços nas novas possibilidades oferecidas pelo eco múltiplo, como o processamento de informações quânticas. “Claro, vários ecos em conjuntos de spin fortemente acoplados aos fótons de um ressonador são uma ferramenta nova e excitante. Ele não só encontrará aplicações úteis em tecnologia de informação quântica, mas também em métodos de espectroscopia baseados em spin ”, disse o professor Rudolf Gross.
