Quando observadas em escalas muito pequenas (dimensões menores que as de um átomo), as leis da física são totalmente diferentes daquelas que identificamos nos objetos do nosso cotidiano. A física quântica estuda justamente como se comportam a matéria e a energia no mundo subatômico, do qual fazem parte elétrons e fótons, por exemplo. Através de experimentos que analisam a interação entre a matéria e a luz nesta dimensão (ótica quântica), o Laboratório de Manipulação Coerente de Átomos e Luz (LMCAL) do Instituto de Física (IF) da USP busca contribuir na construção da teoria que deve dar suporte, no futuro, a aplicações de grande impacto, como o computador quântico.
O conhecimento da física quântica já é essencial para a miniaturização da indústria eletrônica e da tecnologia da informação atual, que requer o uso de materiais chamados semicondutores na produção de transistores, microprocessadores e diodos. “Só se entende o que é um material semicondutor porque se entende a mecânica quântica”, afirma o professor Paulo Alberto Nussenzveig, um dos coordenadores do laboratório. Entretanto, afora o material utilizado, a lógica de funcionamento de dispositivos como os transistores ainda é clássica, com informação binária (0 ou 1).
Como a tendência é que se produzam dispositivos cada vez menores – existem hoje transistores formados por 100 átomos –, imagina-se que esteja próximo o dia em que seus tamanhos não superem um único átomo. Aí então, é às leis da física quântica que se deve recorrer para desenvolver não só os materiais, mas a própria lógica dos sistemas. Caracteriza-se assim a computação quântica, ainda em seus passos iniciais, e que promete processar informações de maneira extremamente veloz.
Emaranhamento
Boa parte das pesquisas realizadas no LMCAL é baseada no emaranhamento, propriedade que faz com que subsistemas microscópicos que interagiram em algum momento guardem relações entre suas propriedades mesmo depois de cessada a interação. Isto é, eles ficam correlacionados.
Por exemplo: dois elétrons que estiveram em dado instante juntos apresentarão – ainda que separados a uma grande distância – posição, momento (velocidade) e direção de rotação (spin) fortemente correlacionados. “Se eu meço a posição da primeira partícula, eu sei a posição da segunda sem tocá-la; se eu meço o momento da primeira partícula, sei o momento da segunda, sem precisar medir isso”, explica o professor Marcelo Martinelli, também coordenador do laboratório.
O professor Paulo Nussenzveig conta que, no início, o emaranhamento causou desconforto aos físicos, por aparentemente violar o mais importante princípio da mecânica quântica, a incerteza – não se pode conhecer simultaneamente a posição e a velocidade das partículas; ao fazer a medida de uma das informações, a outra se altera.
Hoje, porém, se aceita que ele não é um problema para esta teoria. Mais do que isso, trata-se de uma propriedade que permite realizar vários jogos com as informações que as partículas contêm, abrindo inúmeras possibilidades aos cientistas. Uma delas é o teletransporte quântico; aqui, referindo-se ao transporte de informações sobre as partículas, e não de matéria ou energia.
Feitos
No ano passado, os pesquisadores do LMCAL conseguiram produzir e observar um emaranhamento quântico entre três feixes brilhantes de luz de cores distintas entre si. Para isso, foi utilizado um oscilador paramétrico ótico construído em 2000 no laboratório. A experiência foi descrita em um artigo publicado na prestigiada revista Science.
O grupo já havia obtido o emaranhamento de dois feixes de cores diferentes em 2005, descoberta que fez parte da tese de doutorado no IF de Alessandro de Sousa Villar, vencedora do Prêmio Capes de Teses 2008 e do Prêmio Professor José Leite Lopes, da Sociedade Brasileira de Física.
No experimento mais recente, fótons de luz verde são bombeados na direção de um cristal, dando origem, do outro lado, a pares de fótons no infra-vermelho, de frequências complementares, gerando feixes com correlações de intensidade e frequência.
Mas o mais importante é que o feito dos cientistas do LMCAL aumenta a perspectiva de que seja possível a transmissão de informações em redes quânticas eficientes, e também seguras, com uso de criptografia quântica.
Criptografar uma informação é deixá-la decifrável apenas ao seu destinatário, que detém a “chave”, para que ela não seja acessada sem autorização. Para isso são utilizados algoritmos matemáticos, espécie de sequência de instruções. A criptografia quântica é bem mais segura, entre outras coisas, porque cria chaves que não podem ser decodificadas, caso interceptadas, independentemente do poder computacional do sistema usado pelo intruso.
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1 - Fótons: Um feixe de luz pode ser descrito ora como partículas, ora como ondas (princípio da dualidade onda-partícula). Quando o primeiro é o caso, as partículas são chamadas de fótons, que são pequenos pacotes de energia.
2 - Coerente: uma luz coerente é descrita por uma onda de mesma intensidade, direção, frequência e fase bem definida. O laser é a luz escolhida para os experimentos do LMCAL por apresentar estas características. Também podemos dizer que o processo é coerente se sua evolução é efetivamente controlada.
3 - Cores: a cor de um feixe de luz é definida pela frequência da onda que o compõe. Quando atravessa um cristal, como no caso do experimento, o feixe pode ser convertido em outros de cores diversas, o que é chamado de conversão paramétrica.
4 - Infra-vermelho: a visão humana só consegue enxergar a luz que se propaga em uma determinada faixa de comprimentos de onda, por isso radiação infra-vermelha não é visível a olho nu.
