Luz cristalizada:
inicialmente os fótons fluem facilmente entre os dois qubits, produzindo as
grandes ondas à esquerda. A seguir, a luz cristaliza, mantendo os fótons no
lugar (direita). (Imagem: Universidade de Princeton)
Cristal de luz
Cientistas
garantem ter solidificado a luz, cristalizando os fótons como se eles fossem os
átomos na rede cristalina de um sólido. Não se trata de espalhar a luz através
de cristal - a luz se transforma em um cristal, com os fótons ficando fixos no
lugar. Os cientistas já haviam torcido e retorcido a luz, congelado a luz e até
construído rodas fotônicas. Mas formar uma rede cristalina de luz é algo
inédito.
“É algo que nunca vimos antes,” disse Andrew Houck, da Universidade de Princeton, nos
Estados Unidos. “Este
é um novo comportamento para a luz.” Infelizmente, você não
conseguirá pegar o cristal de luz na mão, uma vez que esse comportamento
exótico cessa tão logo o feixe é desligado, mas os cientistas garantem que o
experimento sem precedentes poderá responder a algumas perguntas fundamentais
sobre a física da matéria. Essas perguntas têm sido feitas no esforço para
desenvolver materiais com propriedades não encontradas na natureza, como
supercondutores que funcionem a temperatura ambiente, e os tão sonhados
computadores quânticos.
Onda, partícula, sólido
Para
construir seu cristalizador de luz, James Raftery e seus colegas criaram uma
estrutura feita de materiais supercondutores que contém 100 bilhões de átomos
projetados para agir como uma entidade única - um átomo artificial. O aparato é
baseado no processador quântico que a equipe vem desenvolvendo desde 2007, no
qual átomos artificiais funcionam como qubits. Pelas regras da mecânica
quântica, os fótons em um fio supercondutor que passa ao lado do processador
herdam algumas das propriedades do átomo artificial - em certo sentido criando
uma conexão entre eles.
Fótons normalmente não interagem uns com os outros, mas,
neste sistema, os pesquisadores foram capazes de criar um novo comportamento no
qual os fótons começam a interagir como partículas, e não apenas como ondas. “Essas interações
geram então um comportamento coletivo da luz totalmente novo - parecido com as
fases da matéria, como os líquidos e cristais estudados na física da matéria
condensada,” explica Darius Sadri, membro da equipe.
Controlando o funcionamento do átomo artificial no interior
do chip e a energia fluindo pelo supercondutor, os pesquisadores podem fazer com
que a luz fique “espirrando” de um lado para o outro, como se fosse um líquido,
ou simplesmente congele, criando um “cristal de luz”. Ou seja, além de se
comportar como onda e como partícula, agora a luz se manifestou como matéria
sólida como esta é vista pelas leis da mecânica clássica, criando uma forma
simples e direta de interagir e, eventualmente, interferir com a matéria na
fronteira quântico-clássica.
Detalhe do processador
fotônico onde o experimento foi realizado. [Imagem: James Raftery et al. -
10.1103/PhysRevX.4.031043]
Construindo a matéria
Como
o átomo artificial é um qubit por definição, a equipe está entusiasmada com a
possibilidade de usar esse novo comportamento da luz para criar novas formas de
computação ainda mais eficientes e rápidas do que as que vinham sendo
consideradas pela computação quântica. O protótipo usado no experimento é
relativamente pequeno, com apenas dois átomos artificiais emparelhados com um
fio supercondutor.
Mas a equipe afirma que, construindo um dispositivo maior, e aumentando o
número de interações dos fótons, será possível aumentar sua capacidade e
simular sistemas mais complexos. Isto tem a ver com os simuladores quânticos,
circuitos capazes de simular de uma única molécula até um material sólido
completo a partir dos primeiros princípios quânticos das suas partículas
constituintes. É como aprender a construir a matéria de baixo para cima.
No
futuro, a equipe pretende construir dispositivos com centenas de átomos
artificiais, com os quais eles esperam observar fases ainda mais exóticas da
luz, tais como superfluidos e isolantes. “Estamos interessados em explorar - e, finalmente, controlar
e dirigir - o fluxo de energia em nível atômico”, disse outro membro
da equipe, Hakan Tureci. “O objetivo é entender melhor os materiais e os processos
atuais e avaliar materiais que ainda não podemos criar.”
Bibliografia:
Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition. James Raftery, Darius
Sadri, Sebastian Schmidt, Hakan E. Tureci, Andrew A. Houck. Physical Review X, Vol.:4, 031043. DOI: 10.1103/PhysRevX.4.031043.
