O Nobel de David Wineland

Já faz um tempo desde o anúncio do Nobel. Estamos aqui cumprindo metade de uma promessa de explicar em mais detalhes o que os laureados fizeram. Hoje vou falar do David Wineland e esperamos em breve explicar o trabalho do Serge Haroche.

O homem trabalhando. Imagem cedida pelo NIST

Como comentei no post anterior sobre o Nobel, um dos maiores desafios de fazer um computador quântico está em isolar o sistema que você vai usar para fazer os bits quânticos. No caso do Wineland ele está interessado em usar átomos de Berílio. Tipicamente o Berílio está na forma de íon, isto é sem alguns elétrons, e portanto não é eletricamente neutro. Então os íons de Berílio são colocados em uma armadilha de íon, que nada mais é do que uma caixa a vácuo com campos elétricos e magnéticos que forçam os átomos a ficar em uma região confinada no centro da caixa.

Uma armadilha de íons com um laser para manipular cada átomo. Créditos da imagem para a Universität Innsbruck

Fazer a câmara a vácuo e a armadilha eletromagnética era uma tecnologia bem entendida. Mas isso só não basta, porque para podermos aproveitar as propriedades quânticas é preciso que o sistema esteja o mais frio possível. Só que não dá pra colocar átomos em uma geladeira. Aqui vem a primeira sacada do Wineland. Usar lasers para resfriar os átomos. No melhor estilo Star Wars, só que ao contrário, ao invés de explodir alguma coisa com um laser você “congela”. Como assim?

A temperatura de algo é uma medida da agitação média dos seus átomos. Então baixar a temperatura equivale a fazer com que os átomos se mexam cada vez menos. Na década de 70 o rapaz David desenvolveu a técnica de resfriamento Doppler. Você joga um laser com energia um pouco menor que a da transição dos elétrons no átomo, e com isso ele pode aumentar a energia recebida se movendo na direção do laser, perdendo velocidade nessa direção por causa do coice do feixe de luz. No entanto uma vez que ele tenha absorvido energia pode emitir espontâneamente luz em uma direção aleatória, e o coice correspondente vai ser numa direção aleatória também. Colocando vários feixes em direções opostas o efeito resultante dessa interação é que o átomo perde mais energia por emissão espontânea do que ganha quando absorve luz do laser, assim reduzindo a temperatura.

Resfriamento a laser de átomos usando feixes em direções opostas.

Só que esse resfriamento tem um limite dado pela frequência do laser. Para abaixar ainda mais a temperatura o Wineland e colaboradores desenvolveram mais uma técnica de resfriamento com laser, o resfriamento de banda lateral. Nele você usa o laser para forçar o átomo a transferir energia de movimento para os elétrons, e depois os elétrons vão emitir radiação para voltar ao estado de menor energia sem ganhar mais velocidade com isso. Repetindo várias vezes você consegue usar isso para reduzir a velocidade do átomo. Se você não entendeu muito o que eu expliquei não se preocupe, é bastante técnico mesmo, mas basta pensar que em geral o Wineland inventou um microondas ao contrário. No microondas você emite radiação da mesma frequência de vibração das moléculas e com isso transfere energia da radiação para o objeto que quer esquentar. O Wineland emite radiação um pouco abaixo da energia dos átomos de modo que eles acabam perdendo mais energia do que ganham e assim abaixa a temperatura deles. Se um dia isso for feito em grande escala daria um Nobel da Paz para o cara que conseguisse colocar uma lata de cerveja quente no “microondas ao contrário” e tirar a lata gelada.

Ok, então o Wineland desenvolveu uma técnica para resfriar os átomos usando laser e com isso diminuir muito a interferência do sistema, melhorando a eficiência de qualquer processo que você queira implementar. Isso vale um Nobel? Não sei, porque não foi só isso que ele fez. O comitê diz que o prêmio foi para avanços na contrução de um computador quântico. Certo, cadê a computação então? Como expliquei no post anterior você usa os níveis de energia dos elétrons nos átomos de Berílio para fazer os bits quânticos. O Wineland resolveu o primeiro problema, a interferência com o meio ambiente. Agora precisava implementar uma operação lógica. Para isso ele precisa fazer os átomos se comunicar.

A idéia então é desenvoler um feixe de laser super fino para você poder manipular cada átomo individualmente. Com esse feixe você pode colocar os elétrons de cada átomo na confiugração que você quiser, preparando um bit. Para fazer eles se comunicarem o segredo é preparar o sistema de modo que ele transfira a informação dos níveis de energia dos elétrons para o movimento do próprio átomo. Então cada átomo sente o campo elétrico do outro, que depende do seu movimento. Com isso você faz todos os átomos interagirem.

Para provar que tudo isso dá certo, o Wineland fez vários experimentos mostrando que ele pode manipular os átomos individualmente e transferir informação de um para o outro, fazendo vários bits quânticos realizar uma operação lógica típica de um computador. Como prova indiscutível de que o método funciona ele desenvolveu um relógio atômico que aproveita esses métodos para ser o mais preciso da história.

Então a parte do Nobel do Wineland foi não por ter resolvido um dos maiores obstáculos à computação quântica, mas dois: o isolamento do ambiente e a manipulação de átomos individuais. E o relógio atômico super-preciso dele é uma demonstração clara de que ele realmente consegue entregar o que promete. E isso certamente vale um Nobel.

 

 

Anúncios