Um novo projeto usará o campo elétrico em uma cavidade aceleradora para tentar levitar uma pequena partícula metálica, permitindo que ele armazene informações quânticas.
A computação quântica pode resolver problemas difíceis para sistemas de computador tradicionais. Pode parecer magia. Um passo para alcançar a computação quântica até se assemelha ao truque de um mágico: levitação. Um novo projeto no Centro Nacional de Aceleração Thomas Jefferson do Departamento de Energia dos EUA tentará esse truque levitando uma partícula microscópica em uma cavidade de radiofrequência supercondutora (SRF) para observar fenômenos quânticos.
Tipicamente no Jefferson Lab e em outras instalações de acelerador de partículas, as cavidades SRF permitem estudos do núcleo do átomo. Eles fazem isso acelerando partículas subatômicas, como elétrons. Este projeto usará o mesmo tipo de cavidade para, em vez disso, levitar uma partícula microscópica de metal, entre 1 e 100 micrômetros de diâmetro, com o campo elétrico da cavidade.
"Ninguém nunca suspendeu intencionalmente uma partícula em um campo elétrico em um vácuo usando cavidades SRF", disse Drew Weisenberger, um dos principais investigadores deste projeto, bem como diretor de tecnologia e chefe do Grupo de Detector de Radiação e Imagem na Divisão experimental de Física Nuclear do Jefferson Lab.
Se a equipe do projeto é capaz de levitar uma partícula, eles podem ser capazes de transmitir um estado quântico sobre ele, resfriando a partícula presa ao seu nível de energia mais baixo possível (porque é quando ocorrem propriedades quânticas).
"Armazenar informações quânticas sobre uma nanopartícula levitada é nosso objetivo final, mas, por enquanto, é uma prova de experimento de princípios", disse Pashupati Dhakal, outro pesquisador principal do projeto e cientista da equipe do Jefferson Lab na Divisão de Operações, Pesquisa e Desenvolvimento da Aceleradora. "Queremos saber se podemos prender e levitar partículas dentro da cavidade usando o campo elétrico."
Explorando o Quantum com Cavidades aceleradoras
A ideia deste projeto surgiu de observações de especialistas em aceleradores. Eles acham que já levitaram involuções involucionárias nanopartículas indesejadas e raras de metal, como nióbio e ferro, dentro das cavidades SRF durante operações de acelerador de partículas. Eles suspeitam que essa levitação não intencional tenha afetado o desempenho dos componentes da cavidade SRF.
Pesquisadores estão tentando usar uma técnica de várias décadas chamada "captura a laser", como um passo para transmitir de forma confiável um estado quântico em uma partícula suspensa em um raio laser. Mas, a equipe do projeto Jefferson Lab acha que as cavidades srf podem fornecer uma ferramenta melhor para esses pesquisadores.
"Um campo elétrico pode ir potencialmente além das capacidades de captura a laser", disse Weisenberger.
Características intrínsecas das cavidades SRF superarão alguns limites de captura a laser. Uma partícula levitada em uma cavidade SRF que está sob vácuo e refrigerada a temperaturas super frias só interagirá com o campo elétrico da cavidade e não perderá informações para o exterior, o que é importante para manter um estado quântico.
"Como armazenar informações em um chip de computador, o estado quântico permanecerá e não se dissipará", disse Weisenberger. "E isso poderia eventualmente levar a aplicações em computação quântica e comunicações quânticas."
Este projeto, intitulado "SrF Levitation and Trapping of Nanoparticles Experiment", é financiado pelo programa Laboratory Directed Research & Development, que fornece recursos para o pessoal do Jefferson Lab fazer contribuições rápidas e significativas para problemas críticos de ciência e tecnologia relevantes para a missão do Jefferson Lab e do DOE.
Uma Abordagem Multidisciplinar
O projeto foi concebido e lançado por Rongli Geng em outubro de 2021 antes de passar para o Oak Ridge National Laboratory. Agora mudou para uma equipe maior e mais multidisciplinar liderada por Weisenberger e Dhakal, os atuais co-principais investigadores.
A equipe de Weisenberger pesquisa a tecnologia de detectores para pesquisa em física nuclear, enquanto o trabalho de Dhakal se concentra no desenvolvimento de cavidades SRF para acelerar elétrons em altas velocidades. Weisenberger diz que a abordagem multidisciplinar reunirá seus conhecimentos à medida que se ramificarem no território menos familiar deste projeto LDRD.
Ambos os principais investigadores observam que o projeto está avançando bem, graças à diligência e perícia fornecidas por cada membro da equipe. Os membros da equipe incluem John Musson, Frank Marhauser, Haipeng Wang, Wenze Xi, Brian Kross e Jack McKisson.
"É um passo interessante fora das coisas habituais que fazemos", disse Weisenberger. "O programa LDRD solta cientistas e engenheiros do Jefferson Lab em uma questão de pesquisa que não está diretamente relacionada com o que estamos realmente contratados para fazer, mas está fazendo uso de toda a expertise que trazemos e é um grande recurso para explorar para tentar esticar. É isso que estamos fazendo com esse projeto, esticando."
Construção e Teste
Antes de virar o projeto sobre o Weisenberger e Dhakal, Geng e seus colegas haviam determinado os parâmetros necessários da cavidade e do campo elétrico com simulações e cálculos.
"Temos tudo no papel, mas temos que torná-lo realidade", disse Dhakal.
A equipe está montando o experimento na vida real.
"Temos que ver se o que foi simulado pode realmente acontecer", disse Weisenberger.
Primeiro, eles vão montar uma maquete do experimento à temperatura ambiente. Em seguida, eles circularão hélio líquido ao redor das superfícies externas da cavidade para esfriá-lo a temperaturas supercondutoras que se aproximam de zero absoluto.
Em seguida vem a parte mais difícil. Eles devem obter uma única partícula microscópica na região correta da cavidade enquanto a cavidade está trancada dentro de um vaso de contenção a temperaturas supercondutoras, sob vácuo, e com o campo elétrico ligado.
"Criamos uma maneira de lançar remotamente uma partícula na cavidade em condições experimentais, só temos que testá-la agora", disse Weisenberger. "No mundo da pesquisa e desenvolvimento, muitas vezes você não pode fazer o que você pensou que poderia fazer. Tentamos testar e esbarrar em problemas, tentamos resolver os problemas e continuamos."
Este é um projeto de um ano com a possibilidade de mais um ano de financiamento, dependendo de como as coisas vão. É também um estágio inicial, prova de projeto de princípio. Se for finalmente bem sucedido, ainda haveria um longo caminho de P&D antes que os conceitos pudessem ser aplicados para a construção de computadores quânticos. Tais computadores exigiriam levitar e transmitir estados quânticos em dezenas a centenas a milhares de partículas muito menores previsíveis e confiáveis.
Ainda assim, os pesquisadores estão ansiosos pelas descobertas que esperam que este estudo permita em relação à levitação de partículas microscópicas e à observação potencial de um estado quântico.
"Estou otimista", disse Dhakal. "De qualquer forma, vamos descobrir algo. O fracasso é tanto uma parte do P&D quanto o sucesso. Você aprende com ambos. Basicamente, se a partícula levita ou não, ou se podemos transmitir o estado quântico a ele ou não, é algo que nunca foi feito antes. É muito desafiador e emocionante."
A equipe já tem um trabalho de pesquisa nos trabalhos para este projeto, mas só o tempo dirá se eles podem perceber esse pouco de magia no laboratório.
Fonte: scitechdaily.com