O Nobel de Física 2012

Então eu errei a previsão do Nobel do ano. Mas não é por isso que vou me comportar como uma criança de 12 anos, ficar com mágoa e me negar a explicar o que os caras fizeram. Eu demorei porque 1) eu tenho uma vida também  e 2) deu muito trabalho entender o que eles fizeram. Em essência ambos os vencedores, Serge Haroche e David Wineland, desenvolveram técnicas que são essencias para construir um computador quântico, embora com “peças” diferentes. Mas antes temos que ver qual a diferença entre o computador quântico e o usual que está na sua frente.

Serge Haroche (dir) e David Wineland (esq), os ganhadores do Nobel de 2012

Um computador digital comum tem um processador que é a peça que faz os programas rodarem. Todas as informações do computador estão codificadas em código binário. Como assim? Significa que o computador funciona representando o programa em termos de “1” e “0”, que são os bits. Dentro de um chip existem inúmeros circuitos microscópicos. Quando o circuito está ligado e passa corrente você tem um “1”, quando está desligado é “0”. Colocando um monte desses circuitos em conexão você vai ter uma sequência de “0”s e “1”s que codificam o programa. Para rodar o programa o processador primeiro lê a sequência e depois vai trocando os bits em uma ordem certa.

E agora o computador quântico? A gente precisa fazer um análogo aos bits com um sistema quântico. Pega por exemplo um átomo qualquer, em um átomo os elétrons só podem ocupar algumas órbitas específicas. Agora existe um modo de iluminar o átomo com um laser de cor muito específica de modo que um elétron só vai se conseguir se movimentar entre duas órbitas e quase nunca vai para outra além dessas. Então se o elétron está na órbita mais próxima do núcleo é um “0”, se estiver na mais distante é um “1”. Isso é um qubit, o bit quântico. E o que tem de melhor em relação ao computador normal? É que o elétron é um objeto quântico, então ele pode estar ou na órbita “0”, ou na “1” ou nas duas ao mesmo tempo! Assim o qubit consegue armazenar o dobro de informação do bit normal.

Agora pegue dois circuitos do seu chip normal. Cada um deles está ou aberto ou fechado, então os possíveis estados são “00”, “01”, “10” ou “11”. Agora pegue dois átomos com o esquema do laser para fazer dois qubits. Eles podem estar nos quatro estados ao mesmo tempo! Tá começando a fazer sentido porque todo mundo se empolga com a idéia do computador quântico? A título de comparação com 15 átomos desses você tem a mesma capacidade de armazenamento que o processador do Mega Drive. Com 30 é um Playstation 1, com 60 um Playstation 2. Com 300 cabem mais estados estados diferentes do que átomos no universo visível. Com 400 tem tantos estados quanto partidas de xadrez diferentes.

Mas como tudo na vida, sucesso é sofrimento, e o computador quântico não é exceção. O maior obstáculo para fazer um computador quântico é o isolamento do ambiente. Como assim? Quando um sistema quântico interage com o ambiente ele sofre um processo chamado decoerência, que em certo sentido o transforma em um sistema clássico e ficaria igual a um computador normal. Então é preciso isolar os átomos senão a memória do processador perderia informação toda hora.

E o David Wineland com isso? Bom ele trabalhou com íons de Berílio para fazer os qubits. Primeiro ele desenvolveu uma câmara a vácuo muito boa, que funcionava a uma temperatura próxima do zero absoluto. Aí ele coloca os íons de Berílio lá e usa campos elétricos para eles ficarem flutuando dentro da câmara enfileirados. Depois usa um laser para fazer com que os átomos não saiam do lugar. O isolamento dele é tão bom que demora muitos minutos para a decoerência agir e acabar com as os qubits. Como ele sabe? É porque ele também desenvolveu um feixe de laser super fino, tão fino que ele pode mirar em cada átomo separadamente. Ainda mais esse laser quase não alterava em que órbita estava o elétron, ou seja ficava tudo praticamente inalterado. Com isso ele preparava a amostra de átomos e ficava toda hora olhando os átomos, até que ele conseguiu medir quanto tempo precisava para a decoerência entrar em ação.

Os íons de Berílio dentro da câmara de vácuo a baixa temperatura, observados usando a técnica do laser super fino.

E o Serge Haroche? Bom, ele nem liga para fazer com átomos, ele é uma cara da luz. A luz é feita de partículas, os fótons, e esses fótons tem um certo giro chamado spin. É como se você tivesse um pião super sensível, e quando você joga um fóton em cima dele ele vai começar a girar para a esquerda ou para a direita, dependendo para que lado o fóton girava. O Serge quer usar o fóton como qubit, e o “0” ou “1” é girar para direita ou esquera, e é claro o fóton pode girar para a esquerda e para a direita ao mesmo tempo. Então o Haroche fez uma cavidade ótica, que é uma caixa com dois espelhos um de frente para o outro. Quanto melhor forem esses espelhos mais tempo o fóton fica dentro da caixa e menor a chance de ele sair ou ser absorvido pelas paredes. Para saber se o fóton está no “0” ou “1” você precisa mandar um íon dentro da cavidade, e a hora que ele sair ele deve conter a informação sobre o fóton lá dentro. O problema é que quando o fóton interage com o átomo ele é normalmente absorvido, destruindo o seu qubit.

O que o Haroche fez foi além de fazer uma cavidade de qualidade enorme, mas também um esquema de como mandar o átomo lá dentro de modo que ele saia com a informação que você quer mas sem destruir o fóton. Assim ele também conseguiu medir quanto tempo demorava para a decoerência acabar com as propriedades bacanas do fóton, e mostrou que a cavidade dele consegue segurar essas propriedades por tempo o suficiente para você poder usá-la para alguma coisa prática.

Uma cavidade ótica. Dois espelhos frente-a-frente aprisionam um fóton (em vermelho) que é estudado usando um íon (em verde) que atravessa a cavidade

Assim o Nobel desse ano foram para duas pessoas que embora trabalhassem com experimentos diferentes fizeram coisas parecidas. Não só desenvolveram câmaras para os sistemas quânticos que os isolavam do ambiente por tempo o suficiente para que se possa usá-los para a computação como desenvolveram a técnica para medir cada partícula individualmente. Uma consequência interessante é que a técnica de medição também pode ser usada para preparar a partícula em um estado particular, “0”, “1” ou os dois ao mesmo tempo. Assim eles não só deram um passo enorme para fazer a memória do processador mas também para fazer a programação em si.

PS: Demorou mas o quantumfrontiers finalmente comentou o Nobel, em um post de um dos caras mais influentes da área, o John Preskill. Vamos tentar nas próximas semanas fazer posts individuais para cada um dos laureados. Aguardem.

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