Na fronteira entre matéria e antimatéria: físicos descobrem partícula exótica (férmion de Majorana) dentro de materiais supercondutores (scientists find long-sought Majorana particle)

 O dispositivo é feito de um nanofio de índio coberto com um contato de ouro e parcialmente coberto com um contato supercondutor de nióbio. Os férmions de Majorana são criados no final do nanofio. Crédito: Copyright TU Delft 2012

Pesquisadores do TU Delft's Kavli Institute e da Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM Foundation) conseguiram detectar pela primeira vez o férmion de Majorana, uma partícula que é um híbrido de matéria e antimatéria. A existência dessa partícula foi proposta pelo físico italiano Ettore Majorana. Leo Kouwenhoven, principal pesquisador do trabalho, causou grande agitação entre os cientistas em fevereiro, apresentando os resultados preliminares em um congresso científico. Agora, os cientistas publicaram sua pesquisa na revista Science.

Computador quântico e matéria escura

Férmions de Majorana são muito interessantes - não só porque a descoberta abre um novo e desconhecido capítulo da física fundamental; eles também podem desempenhar um papel na cosmologia. A teoria proposta pressupõe que a misteriosa “matéria escura”, que forma a maior parte do universo, é composta de férmions de Majorana. Além disso, os cientistas veem as partículas como blocos de construção fundamentais para o computador quântico. Ao contrário do computador quântico “comum”, um computador quântico baseado em férmions de Majorana é excepcionalmente estável e pouco sensível a influências externas.

       

Nanofio

        Pela primeira vez, cientistas no grupo de pesquisa de Leo Kouwenhoven conseguiram criar um dispositivo eletrônico em nanoescala no qual um par de férmions de Majorana “aparece” em uma das extremidades do nanofio. Eles fizeram isso através da combinação de um nanofio extremamente pequeno com um material supercondutor e um forte campo magnético. “As medições das partículas nas extremidades do nanofio não podem ser explicadas a não ser pela presença de um par de férmions de Majorana”, diz Leo Kouwenhoven.

        Teoricamente é possível detectar um férmion de Majorana com um acelerador de partículas. O atual Large Hadron Collider parece ser suficientemente sensível para essa finalidade, mas, de acordo com os físicos, há uma outra possibilidade: férmions de Majorana também podem aparecer em nanoestruturas adequadamente projetados. “O que há de mágico sobre a mecânica quântica é que uma partícula de Majorana criada desta forma é semelhante às que podem ser observadas em um acelerador de partículas, apesar de ser muito difícil de compreender”, explica Kouwenhoven. “Em 2010, dois grupos teóricos diferentes surgiram com uma solução usando nanofios supercondutores e um forte campo magnético. Através de pesquisas anteriores aqui na TU Delft já estávamos muito familiarizados com esses ingredientes.”

Ettore Majorana

O físico italiano Ettore Majorana era um teórico brilhante, que mostrou grande visão sobre a física em uma idade jovem. Ele descobriu uma solução até então desconhecido para as equações das quais os cientistas quânticos deduzem partículas elementares: os férmions de Majorana. Praticamente todas as partículas teóricas previstas pela teoria quântica foram encontrados nas últimas décadas, com apenas algumas exceções, incluindo a partícula de Majorana e o bóson de Higgs. Mas a pessoa Ettore Majorana é tão misteriosa quanto a partícula. Em 1938, ele retirou todo o seu dinheiro e desapareceu durante uma viagem de barco a partir de Palermo para Nápoles. Se ele se matou, foi assassinado ou vivia sob uma identidade diferente ainda não é conhecido. Nenhum traço de Majorana jamais foi encontrado.

Fonte1: http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120413160004.htm

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/336/6084/1003

Aspersão de spin em um supercondutor (sprinkling spin physics onto a superconductor)

Interações antiferromagnéticas spin-spin são mediadas e ampliadas pelos elétrons em um supercondutor. (Ilustração: S. Kelley/E.Edwards)

        Pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) em colaboração com físicos de Harvard e Yale, vem estudando os efeitos da incorporação de spins na superfície de um supercondutor. Em um trabalho publicado recentemente no Physical Review Letters (“Enhanced Antiferromagnetic Exchange between Magnetic Impurities in a Superconducting Host”), eles demonstraram que os spins podem interagir de forma diferente do que se pensava. Esta plataforma híbrida poderia ser útil para simulações quânticas de complexos sistemas de spin, tendo a particularidade de que as interações podem ser controladas, algo bastante incomum para a maioria dos sistemas da matéria condensada.

O sistema quântico clássico conhecido como spin pode ser realizado em diferentes plataformas físicas. Devido aos avanços na fabricação e criação de imagens, impurezas magnéticas embutidas em um substrato surgiram como uma perspectiva interessante para o estudo da física de spin. O 'spin' está relacionado ao momento angular intrínseco de uma partícula. O interessante é que, embora o conceito seja abstrato, inúmeros efeitos na natureza, tais como magnetismo, são mapeados em modelos matemáticos de spin.

Um único spin é útil, mas a maioria das aplicações práticas e estudos de fenômenos complexos exigem controle de muitos spins interagentes. Por si só, os spins irão interagir uns com os outros, com a força da interação desaparecendo quando eles são separados. Nos experimentos, os físicos, muitas vezes utilizam técnicas como lasers e / ou campos magnéticos, para controlar e modificar a interação entre os spins. Embora possível em sistemas atômicos, controlar interações entre spins não tem sido fácil ou mesmo possível na maioria dos sistemas do estado sólido.

      Em princípio, a melhor forma de melhorar a comunicação entre os spins nos materiais é usar como intermediários os elétrons livres. Elétrons livres são fáceis de encontrar em condutores, mas do ponto de vista da física quântica, estes materiais são ‘sujos’ e ‘barulhentos’. Aqui, elétrons fluem em volta sendo espalhados por incontáveis átomos criando rupturas e mascarando os efeitos quânticos. Uma maneira de contornar este obstáculo é colocar os spins em um substrato supercondutor, que é um ambiente quântico tranquilo, intocado.

Por que os supercondutores são anfitriões limpos para spins? Considere a estrutura de banda destes sistemas. A estrutura de banda descreve o comportamento dos elétrons em sólidos. Dentro de átomos isolados, os elétrons ocupam níveis discretos de energias, separados por regiões proibidas. Num sólido, os átomos estão dispostos num padrão de repetição em que devido à proximidade, seus elétrons são efetivamente compartilhados. O diagrama de níveis de energia em um sólido consiste não em níveis discretos, mas bandas que representam quase um contínuo de valores de energia. Em um sólido, elétrons normalmente ocupam os níveis mais baixos de energia.

Em condutores, o próximo nível de energia acima do mais alto preenchido, é próximo o suficiente para permitir transições, facilitando o fluxo de elétrons na forma de corrente. Nesse esquema de nível de energia, onde se encaixam os supercondutores? Nos supercondutores, o aparecimento da resistividade zero é uma transição de fase. Quando alguns materiais são resfriados, os elétrons começam a interagir, mesmo em grandes distâncias, através de vibrações no cristal chamadas fônons. Isso é chamado de “par de Cooper.” Os pares, apesar de relativamente fracos, exigem certa quantidade de energia para quebrar, que se traduz em um gap na estrutura de banda formada entre o estado supercondutor de menor energia e o superior de maior energia (não supercondutor). Em certo sentido, o estado supercondutor é um ambiente quântico isolado do barulho do estado de condução normal.

        Nesta pesquisa, os cientistas consideram o que acontece com as interações spin-spin quando os spins são incorporados em um supercondutor. Geralmente, quando os spins são separados por uma quantidade maior do que o chamado comprimento de coerência, eles interagem fracamente antiferromagneticamente (orientação de spin alternada). Acontece que quando os spins estão mais próximos, suas interações são mais complexas do que se pensava, e tem o potencial de ser ajustável. A equipe de pesquisa corrige a teoria existente que diz que as interações spin-spin oscilam entre ferromagnéticas (todos os spins com a mesma orientação) e antiferromagnéticas. Este tipo de interação é válida para condutores comuns, mas não quando o substrato é um supercondutor.

O que está acontecendo é que, semelhante aos semicondutores, as impurezas magnéticas de spin afetam a estrutura de banda. Os spins induzem o que é chamado estado Shiba, os quais permitem níveis de energia dentro do gap supercondutor. Isto significa que existe uma forma de quebrar pares de elétrons supercondutores fazendo-os ocupar níveis mais elevados, estados de energia não supercondutores.

Para este trabalho, o ponto chave é que quando dois spins muito próximos são anti-alinhados, seus estados de Shiba se misturam para reforçar a interação antiferromagnética. Uma característica interessante deste resultado é que a quantidade de mistura, a força efetiva da interação, pode ser ajustada mudando a energia relativa dos estados de Shiba em torno da região do gap. A equipe descobriu que, quando os estados de Shiba estão no meio do gap supercondutor, a interação antiferromagnética entre spins domina.

Autor e teórico Jay Sau explica a promessa desta plataforma: “O que este sistema spin-supercondutor fornece é a capacidade de conectar vários sistemas quânticos juntos em uma interação definitiva. Aqui você pode, potencialmente, colocar um monte de átomos de impureza em uma pequena região do supercondutor e todos eles vão interagir antiferromagneticamente. Esta é a situação ideal para a formação de estados de spin exóticos.”

       Matrizes de spins com interações controláveis ​​são difíceis de obter em laboratório e, quando combinada com a capacidade de gerar imagens individuais de impurezas de spin via microscopia de varredura por tunelamento (STM), esta plataforma híbrida pode abrir novas possibilidades para o estudo de fenômenos quânticos interagentes complexos.

      Da perspectiva de Sal: “Estamos na fase em que nossa compreensão dos eventos quânticas de muitos corpos é tão ruim que não queremos simular um material específico. Se nós apenas começamos a gerar exemplos mais complicados de sistemas quânticos que não entendemos, então já fizemos progresso.”

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37158.php

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.087202

Supercondutividade é ligada e desligada com magnetismo (magnetic domains reveals spatially inhomogeneous superconductivity)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/02/2014


Fonte:
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-ligada-desligada-magnetismo&id=010115140218&ebol=sim#.UwkPj86aegZ 

Dependendo da orientação do campo magnético (H), a onda de densidade de spins (setas vermelhas e cinzas) pode se mover em direções diferentes, modulando a supercondutividade. [Imagem: Simon Gerber/PaulScherrer Institute]

Chave magnética para a supercondutividade

A supercondutividade e os campos magnéticos normalmente são vistos como rivais - campos magnéticos muito fortes destroem o estado supercondutor. Isso pelo que se sabia até agora. Um novo estado supercondutor que acaba de ser descoberto na verdade só surge quando o material é submetido a um forte campo magnético externo. Desta forma, a supercondutividade do material pode ser controlada - ligada e desligada - alterando a direção do campo magnético.

O material - uma liga complexa de cério, cobalto e índio (CeCoIn₅) - é supercondutor a temperaturas muito baixas, mas tem sua supercondutividade destruída quando submetido a um campo magnético de 12 Tesla. O que se descobriu agora é que, antes que isso ocorra, surge um segundo estado supercondutor, o que significa que passam a coexistir dois estados supercondutores diferentes no mesmo material.

Simon Gerber e seus colegas do Instituto PaulScherrer, na Suíça, verificaram que o magnetismo faz emergir uma ordem antiferromagnética adicional, isto é, uma parte dos momentos magnéticos - pense neles como ímãs elementares - no material aponta num sentido, enquanto o restante aponta no sentido oposto. A interpretação mais provável para isso é que um novo estado quântico deve estar associado a esta ordem magnética.

“O comportamento observado no material é completamente inesperado e certamente não é um efeito puramente magnético,” explica o professor Michel Kenzelmann, líder da equipe. “Esta é uma clara indicação de que, neste material, o novo estado supercondutor ocorre junto com a onda de densidade de spin, o que também é esperado com base nos argumentos de simetria.”

Embora o novo estado ocorra em condições muito específicas e difíceis de obter, a possibilidade de controlar diretamente estados quânticos - sejam eles quais forem - pode ser importante no campo dos computadores quânticos.

“Ainda que esse material em particular provavelmente não será usado por causa das baixas temperaturas e fortes campos magnéticos necessários, nossos experimentos mostram com o que este tipo de controle pode se parecer,” disse Simon Gerber.

Bibliografia:

Switching of magnetic domains reveals spatially inhomogeneoussuperconductivity. Simon Gerber, Marek Bartkowiak, Jorge L. Gavilano, Eric Ressouche, Nikola Egetenmeyer, Christof Niedermayer, Andrea D. Bianchi, Roman Movshovich, Eric D. Bauer, Joe D. Thompson, Michel Kenzelmann. Nature Physics, Vol.: Published online DOI: 10.1038/nphys2833.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-ligada-desligada-magnetismo&id=010115140218&ebol=sim#.UwkPj86aegZ

Criado primeiro feixe de antimatéria! (created first antimatter beam)

Fonte: http://hypescience.com/raio-anti-hidrogenio-raio-anti-materia/

Aparelhagem da ASACUSA

Criar um feixe de antimatéria soa como algo que só um cientista louco faria, porém, não há nenhuma maluquice no feixe de átomos de anti-hidrogênio que os cientistas geraram pela primeira vez no centro de pesquisa CERN (European Organization for Nuclear Research), na Europa.

Os pesquisadores por trás da realização técnica revelaram na última terça-feira, dia 21, na revista Nature Communications, que o feixe poderia ajudá-los a entender mistérios profundos como por que vemos muito mais matéria do que antimatéria no universo, e por que existe um universo.

Teoricamente, quantidades iguais de matéria e antimatéria deveriam ter sido criadas no Big Bang que deu origem ao cosmos como o conhecemos. Mas, como qualquer fã de “Jornada nas Estrelas” sabe, a matéria e a antimatéria se aniquilam mutuamente em um flash de energia quando interagem. Assim, os físicos suspeitam que deve ter havido alguma diferença sutil que permitiu que a matéria dominasse o universo.

Experimentos anteriores de colisão de partículas forneceram pistas sobre essa diferença, entretanto, os físicos realmente gostariam de resolver o mistério estudando anti-átomos reais. O problema é que é difícil manter os átomos em existência tempo suficiente para fazer boas medições em escala.

Na verdade, as aplicações de antimatéria estão ao nosso redor há um longo tempo. Hospitais rotineiramente fazem uso de antielétrons, ou pósitrons, para tirar fotos internas do nosso corpo com PET (sigla em inglês para tomografia por emissão de pósitrons). E os pesquisadores estão querendo usar feixes de antiprótons para tratar o câncer.

Mas foi só nos últimos três anos ou mais que os físicos foram capazes de combinar antiprótons e pósitrons em átomos inteiros de anti-hidrogênio e mantê-los dentro de uma câmara à vácuo magnética especialmente projetada nas instalações do Desacelerador Antipróton do CERN, na fronteira suíço-francesa. Mesmo assim, é difícil analisar esse anti-hidrogênio, porque o campo magnético que aprisiona os anti-átomos também interfere com as medições.

Em 2012, cientistas da colaboração ALPHA, do CERN, anunciaram que finalmente conseguiram fazer as primeiras medições espectroscópicas de anti-átomos dentro de sua câmara à vácuo. Agora, os cientistas de uma colaboração diferente, conhecida como ASACUSA, dizem que seu aparelho criou um feixe de átomos de anti-hidrogênio que pode ser medido com mais precisão fora da câmara magnética onde foram criados. Pelo menos 80 dos anti-átomos foram detectados, 2,7 metros abaixo da região de produção.

O aparelho da ASACUSA faz uso de dispositivos com nomes que aqueceriam o coração de um cientista louco: uma bobina de supercondutores anti-Helmholtz, eletrodos de múltiplos anéis, uma cavidade de micro-ondas e um seletor rotativo de feixe de focagem. O resultado é que os anti-átomos energéticos podem ser guiados para uma região com um campo magnético fraco.

“Como os átomos de anti-hidrogênio não têm carga, foi um grande desafio transportá-los de sua câmara”, explicou o líder da equipe ASACUSA, Yasunori Yamazaki, pesquisador do centro japonês RIKEN, em um comunicado à imprensa do CERN. “Nossos resultados são muito promissores para estudos de alta precisão de átomos de anti-hidrogênio, em particular da estrutura hiperfina, uma das duas propriedades espectroscópicas mais conhecidas do hidrogênio. Sua medida no anti-hidrogênio permitirá o teste mais sensível de simetria matéria-antimatéria”.

Yamazaki disse que sua equipe vai retomar as experiências nos próximos meses com uma configuração que deve produzir feixes de alta energia para estudo. [CERN News, NBC]

Fonte: http://hypescience.com/raio-anti-hidrogenio-raio-anti-materia/

Estaneno: primeiro supercondutor a temperatura ambiente? (first superconductor at room temperature?)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2013

A adição de átomos de flúor (amarelo) a uma camada atômica de estanho - o estaneno - poderá resultar no primeiro supercondutor a temperatura ambiente. [Imagem: Yong Xu/Tsinghua University/Greg Stewart/SLAC]

Estaneno

Em tempos de materiais-maravilha à base de carbono, parecia que nada poderia superar os nanotubos - até surgir o grafeno. Mas agora cientistas estão pedindo que o grafeno dê um passinho à frente, cedendo espaço para o recém-chegado "estaneno".

         Estaneno é uma folha unidimensional - formada por apenas uma camada de átomos - do metal estanho, símbolo químico Sn. O estaneno promete ser nada menos do que o primeiro supercondutor à temperatura ambiente, transportando eletricidade com 100% de eficiência.

         É o que garantem Yong Xu e seus colegas das universidades Tsinghua (China) e Stanford (EUA):

“O estaneno poderá aumentar a velocidade e diminuir o gasto de energia das futuras gerações de chips de computador, caso nossas previsões sejam confirmadas por experimentos que estão em andamento em vários laboratórios ao redor do mundo,” disse o professor Shou-cheng Zhang, coordenador do estudo.

Isolantes topológicos

Os resultados são fruto do trabalho com os isolantes topológicos, uma classe de materiais muito promissores devido à sua característica de conduzir eletricidade apenas na sua superfície externa, mas não em seu interior.

Em 2011, outra equipe já havia apontado que um isolante topológico mais complexo poderia ser magnético e supercondutor.

         Isso porque, ao se destacar a camada externa desses materiais, eles devem conduzir eletricidade com 100% de eficiência, ou seja, são supercondutores.

“A magia dos isoladores topológicos é que, pela sua própria natureza, eles forçam os elétrons a mover-se em faixas definidas, sem qualquer limite de velocidade, como nas autobans alemãs,” explicou Zhang. “Enquanto eles estiverem na via rápida - as bordas ou as superfícies - os elétrons vão viajar sem resistência.”

Mas nenhum dos isolantes topológicos conhecidos até agora se tornaria um condutor perfeito de eletricidade à temperatura ambiente.

         O que os novos cálculos indicam é que isto pode ser possível com uma única camada de átomos de estanho - um estaneno.

Supercondutores no interior de chips resultarão em processadores que consomem menos energia e esquentam menos. [Imagem: Yong Xu et al./PRL]

Chips supercondutores

Os cálculos indicam que uma única camada de estanho seria um isolante topológico não apenas sob temperaturas agradáveis para o ser humano, mas também a temperatura mais altas.

         Por exemplo, com a adição de átomos de flúor ao estanho, sua gama de funcionamento se estenderia a pelo menos 100 graus Celsius.

         Segundo os pesquisadores, se os experimentos confirmarem seus cálculos teóricos, o estaneno deverá estrear na conexão interna dos chips, permitindo a troca de dados mais rápida e gastando muito menos energia - o que se traduziria em processadores que esquentam menos.

         É claro que, para isso, terão que ser vencidas as mesmas dificuldades de fabricação de um material 2D com que atualmente se deparam os pesquisadores que tentam trabalhar com o grafeno.

Bibliografia:

Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films

Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang

Physical Review Letters

Vol.: 111, 136804

DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

http://arxiv.org/abs/1306.3008

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=estaneno&id=010165131125

Reator de fusão nuclear começará a ser montado (nuclear fusion reactor will begin to be assembled)

Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=reator-fusao-nuclear-comecara-montado&id=010115130826&ebol=sim

Com informações da BBC - 26/08/2013

Reator de fusão nuclear começará a ser montado

Aqui serão montados os ímãs em forma de anel, capazes de conter a energia sem que o plasma toque nas paredes metálicas do reator. [Imagem: ITER]

Fusão nuclear

O maior projeto para o desenvolvimento de uma fonte de energia por meio da fusão nuclear começará a ser montado para valer. Terminadas as estruturas civis básicas, começaram a chegar os primeiros dos cerca de um milhão de componentes necessários para a construção do reator experimental.

       Há vários projetos tentando dominar a energia das estrelas, mas o ITER (Reator Internacional TermonuclearExperimental) é o maior deles. Após os problemas iniciais de projeto e dificuldades em coordenar um projeto internacional sem similares, agora há menos desconfiança quanto ao cumprimento do cronograma, que está dois anos atrasado.

       Desde os anos 1950, a fusão nuclear oferece o sonho da energia praticamente inesgotável. O objetivo é recriar o processo que gera a energia do Sol, usando como combustível duas formas de hidrogênio, os isótopos deutério e trício, ou trítio.

Magnetos do campo poloidal do ITER. [Imagem: ITER]

Tokamak

O interesse no desenvolvimento desse tipo de processo se explica pelo uso de um combustível barato (os isótopos), pelo pouco resíduo radioativo que produz e pela não emissão de gases do efeito estufa. Mas os desafios técnicos, tanto de lidar com um processo tão extremo quanto de projetar formas de extrair energia dele, sempre foram imensos.

De tão difícil de ser recriada artificialmente, críticos da ideia afirmam que a fusão nuclear "estará sempre 30 anos no futuro".

       O reator do ITER pretende colocar isso à prova. De um tipo conhecido como "tokamak", o reator é baseado no JET, um projeto-piloto europeu, e prevê a criação de um plasma superaquecido, com temperaturas de até 200 milhões de graus Celsius, calor suficiente para forçar os átomos de deutério e trítio a se fundir e liberar energia. O processo deverá ocorrer dentro de um enorme campo magnético em formato de anel - a única forma como um calor tão extremo ser contido.

       O JET conseguiu realizar reações de fusão em pulsos muito curtos, mas o processo exigiu mais energia do que foi capaz de produzir. No ITER, o reator está em uma escala muito maior e foi projetado para gerar dez vezes mais energia (500 MW) do que consumirá.

Cerca de 420 toneladas de fios supercondutores de nióbio-titânio já foram fabricados - mais de 90% do total necessário. [Imagem: ITER]

Reatores do futuro

O orçamento total do projeto é incerto e tem variado, para cima, ao longo dos anos - hoje as estimavas estão em €15 bilhões (cerca de R$ 45 bilhões). Ainda que haja um cronograma bem definido para a entrega das peças mais importantes - algumas chegam a pesar 600 toneladas - a divisão de sua fabricação entre os países membros provavelmente será motivo de novos atrasos.

       Os planos atuais preveem os primeiros testes da fusão nuclear em 2020. Partindo do pressuposto de que o ITER consiga realizar uma fusão que gere mais energia do que consome, o passo seguinte será a construção de um projeto de demonstração da nova tecnologia - o nome do ITER é "reator experimental".

       Depois que o protótipo funcionar, então poderão ser feitas as especificações para a construção dos primeiros reatores de fusão nuclear comerciais - ou seja, a crítica dos críticos, de que a fusão nuclear está sempre 30 anos no futuro, parece bastante otimista. A não ser que outros projetos em andamento tenham melhor sorte.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=reator-fusao-nuclear-comecara-montado&id=010115130826&ebol=sim

Teletransporte fica prático para computação quântica (quantum teleportation)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/08/2013

Enquanto nos filmes de ficção científica as pessoas saem do ponto A e são recriadas no ponto B, no teletransporte quântico os qubits não desaparecem e reaparecem - a única coisa que vai de um ponto a outro é a informação guardada no qubit. [Imagem: University of Tokyo]

Energizar

Não, ainda não é nada parecido com o teletransporte de Jornada nas Estrelas, mesmo porque cálculos indicam que o tempo para teletransportar um ser humano seria longo demais com qualquer tecnologia imaginável hoje.

Mas duas equipes fizeram avanços substanciais na área do teletransporte quântico, usando técnicas e abordagens diferentes, colocando a técnica muito próxima da utilização prática no interior de computadores quânticos e para a transmissão e a criptografia de dados.

No primeiro experimento, o teletransporte passou a ser determinístico, alcançando um aproveitamento de quase 100%, passando a ser realizado, por assim dizer, ao apertar de um botão.

No segundo experimento, o teletransporte, também determinístico, passou a ser feito por um circuito de estado sólido, dispensando os complicados aparatos fotônicos.

Embora ainda não seja o suficiente para se sonhar em transportar objetos à distância, os dois avanços são importantes para a comunicação, a criptografia e computação quânticas.

Teletransporte de informações

Enquanto nos filmes de ficção científica as pessoas saem do ponto A e são recriadas no ponto B, no teletransporte quântico os qubits não desaparecem e reaparecem - a única coisa que vai de um ponto a outro é a informação guardada no qubit.

Para isso, o teletransporte quântico depende do entrelaçamento quântico (ou emaranhamento), um fenômeno pelo qual duas partículas separadas têm efeito imediato uma sobre a outra - é o chamado efeito fantasmagórico à distância.

Como tudo o que acontece com a partícula A afeta imediatamente a partícula B, torna-se possível transferir a informação sem transferir fisicamente a partícula - as partículas continuam em seus lugares, mas a informação passa de uma para a outra.

Embora seja feito ao apertar de um botão - basta ligar o laser - o teletransporte da equipe do Japão e da Alemanha usa o tradicional sistema óptico. [Imagem: University of Tokyo]

Teletransporte ao apertar de um botão

Shuntaro Takeda e seus colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, juntaram duas técnicas já usadas anteriormente, combinando qubits fotônicos com o teletransporte de ondas ópticas - a informação é guardada em um bit quântico, mas viaja através de uma conexão clássica por fibra óptica.

Isto elimina a necessidade da medição pós-teletransporte para ver se a coisa funcionou. Com isto, a taxa de eficiência aumentou mais de 100 vezes em relação aos experimentos anteriores, deixando de ser probabilística para ser determinística.

Os qubits foram enviados do Japão até a Universidade Johannes Gutenberg, na Alemanha, viajando mais de 10.000 km, e chegando com uma precisão entre 79 e 82%. Para isso, em vez de entrelaçar apenas dois qubits, eles entrelaçaram vários deles, permitindo que mais informação fosse enviada de uma vez só.

Segundo os pesquisadores, em teoria é possível melhorar a técnica até uma eficiência de 100%, quando então o teletransporte de qubits será viável para uso direto em computadores quânticos.

Para isso, a equipe planeja agora cascatear dois ou três sistemas similares ao que eles acabam de criar.

Não, a formiga não foi teletransportada - ela só serve para mostrar as dimensões do circuito supercondutor que realizou o primeiro teletransporte inteiramente de estado sólido. [Imagem: Jonas Mlynek/ETH Zurich]

Teletransporte de estado sólido

No segundo experimento, Lars Steffen e seus colegas do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça teletransportaram seus qubits por uma distância muito menor: 6 milímetros.

Mas há duas grandes vantagens na técnica utilizada.

A primeira é que o teletransporte quântico foi feito usando um minúsculo circuito eletrônico de estado sólido, e não os enormes e delicados aparatos fotônicos - em vez da conexão óptica utilizada nos outros experimentos, a técnica usa circuitos supercondutores postos frente a frente.

A segunda vantagem é que o teletransporte é muito mais rápido, podendo transmitir até 10.000 qubits por segundo.

Isto coloca a abordagem dos pesquisadores suíços muito próxima da utilização prática em computadores quânticos, ainda que seja apenas para transmitir informações da memória para o processador, ou entre processadores.

Bibliografia:

Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system, L. Steffen, Y. Salathe, M. Oppliger, P. Kurpiers, M. Baur, C. Lang, C. Eichler, G. Puebla-Hellmann, A. Fedorov, A. Wallraff. Nature, Vol.: 500, 319-322. DOI: 10.1038/nature12422

Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique, Shuntaro Takeda, Takahiro Mizuta, Maria Fuwa, Peter van Loock, Akira Furusawa. Nature, Vol.: 500, 315-318. DOI: 10.1038/nature12366

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=teletransporte-pratico-computacao-quantica&id=010110130816&ebol=sim