O processador quântico

Em 2007, a empresa canadense D-Wave, então recém-criada a partir dos laboratórios da Universidade da Colúmbia Britânica, afirmou ter construído o primeiro processador quântico.

© D-Wave (processador quântico de 128 qubits)

Físicos de todo o mundo mostraram-se céticos com a alegação: o processador era interessante, mas todos duvidavam de que ele usasse fenômenos quânticos para funcionar.

Agora, pela primeira vez, a empresa decidiu publicar um artigo científico dando alguns detalhes sobre o funcionamento do seu processador e revelando o papel que a mecânica quântica representa em seu funcionamento.

Ao contrário de todas as pesquisas na área da computação quântica, que estimam que décadas de pesquisas ainda nos separam desses computadores futurísticos, o chip da D-Wave foi fabricado usando as técnicas tradicionais da microeletrônica, embora usando materiais supercondutores.

O processador possui 128 qubits supercondutores e 24.000 componentes conhecidos como junções Josephson, ou qubits de fase Josephson. Como todo material supercondutor, ele funciona sob temperaturas criogênicas.

"Nós já sabemos há algum tempo que esses processadores são extremamente eficazes em resolver os problemas para os quais eles foram projetados, mas esta é a primeira vez que nós pudemos abrir a caixa-preta e mostrar como eles exploram a mecânica quântica para resolver esses problemas," anunciou Geordie Rose, gerente de tecnologia da D-Wave.

O artigo descreve o funcionamento de um bloco do circuito do processador, denominada célula. A célula, uma das 16 que formam o processador quântico, é formada por oito qubits supercondutores de fluxo e 1.500 junções Josephson.

Os pesquisadores tiraram uma série de 'fotografias' do comportamento da célula conforme ela executava um cálculo e mostraram que, usando o alto grau de controle embutido no circuito integrado, os efeitos quânticos podem ser precisamente controlados como desejado por um programador para acelerar os cálculos.

Os dois níveis mais baixos de energia - os elétrons circulando no sentido horário ou anti-horário - podem ser usados para representar os 0s e 1s.

O campo magnético associado com a corrente elétrica que percorre o qubit de fluxo também é quantizado, apontando num ou noutro sentido conforme a direção da corrente. O sentido desse campo magnético pode ser alterado usando um campo magnético externo.

O grande desafio para a construção de um computador quântico é manter os qubits com seus valores, sem que os dados sejam corrompidos por influências externas.

A empresa afirma que, usando uma propriedade chamada termalização quântica (quantum annealing), dentro de um conceito conhecido como computação quântica adiabática, seu processador mantém oito qubits acoplados, todos no menor nível de energia.

Para fazer os cálculos, o processador liga e desliga as interações entre os diversos qubits. Com isto, o estado de baixa energia do sistema em situação de não-interação deve evoluir naturalmente para o estado de baixa energia do sistema em interação - a resposta do cálculo estará codificada nas interações.

Os pesquisadores argumentam que os qubits de fato atingem seu menor estado de energia seguindo a mecânica quântica. A evolução do sistema é consistente com a mecânica quântica, e não com a mecânica clássica.

A empresa anunciou que pretende publicar novos artigos científicos nos próximos meses, dando mais detalhes do funcionamento do seu processador.

Fonte: Nature

Velocidade da luz é alterada por campo eletromagnético

A luz não viaja na mesma velocidade em todas as direções quando ela está sob o efeito de um campo eletromagnético.

© Revista Física (concepção artística de raios de luz)

Embora tenha sido previsto pela teoria, esse efeito contra-intuitivo foi agora demonstrado experimentalmente pela primeira vez por uma equipe da Universidade Paul Sabatier e do Centro Nacional de Pesquisas Científicas (CNRS), da França.

Os pesquisadores mediram, com uma precisão extrema - de cerca de um bilionésimo de metro por segundo - a diferença entre as velocidades de propagação da luz em uma direção e na direção oposta.

A diferença encontrada abre caminho para pesquisas mais aprofundadas com o objetivo de melhorar o modelo que descreve as interações das partículas elementares, o chamado Modelo Padrão da Física.

No vácuo absoluto, a luz viaja a uma velocidade constante de 299.792.458 m/s.

Parece natural que ela se propagasse na mesma velocidade em todas as direções.

No entanto, existem situações em que essa propriedade não é válida, principalmente quando a luz está viajando sob o efeito de um campo eletromagnético.

Esses casos foram inicialmente previstos pela teoria no final dos anos 1970, e deveriam ser observados mesmo no vácuo. No entanto, essas variações muito pequenas são difíceis de confirmar experimentalmente.

O progresso tecnológico tornou possível a detecção desses efeitos em um gás, o nitrogênio no caso do experimento agora realizado.

Para observar a variação da velocidade da luz, os pesquisadores projetaram uma cavidade óptica na qual os feixes de luz passam através de um dispositivo composto por ímãs e eletrodos, o que torna possível a geração de intensos campos elétricos e magnéticos - o campo magnético aplicado é 20.000 vezes maior do que a da Terra.

 

© CNRS (cavidade óptica usada no experimento)

Uma cavidade óptica é um dispositivo no qual determinados raios de luz permanecem confinados por meio de espelhos, nos quais esses raios ficam refletindo continuamente.

Dessa forma, os pesquisadores conseguiram demonstrar experimentalmente que a luz não viaja na mesma velocidade em direções opostas em um gás sobre o qual está atuando um campo eletromagnético.

A diferença medida na velocidade da luz é de cerca de um bilionésimo de metro por segundo (m/s), ou seja, 10^-9 m/s, o que equivale a 10^-18 vezes a velocidade da luz.

Os resultados abrem caminho para diversas novas pesquisas. Permitirão um refinamento das medições da anisotropia da propagação da luz. Aumentando a sensibilidade do dispositivo de medição poderá ser observado minúsculas falhas da invariância de Lorentz, que é uma simetria fundamental expressa como parte da Teoria da Relatividade.

Isso tornaria possível testar algumas propostas teóricas para melhorar o Modelo Padrão, um modelo que hoje descreve todas as interações entre as partículas elementares.

Essa anisotropia direcional, governada por um campo eletromagnético, pode gerar novas aplicações em óptica, tais como componentes cujo comportamento será diferente dependendo da direção, tudo controlado por um campo magnético externo.

Fonte: Physical Review Letters

A misteriosa supercondutividade

A supercondutividade é um dos poucos fenômenos naturais a reunir virtualmente todas as facetas do desenvolvimento científico e tecnológico.

 

© LPS (supercondutor repelindo um campo magnético)

Na descrição do fenômeno mede-se a resistência elétrica do material em função da temperatura. Quando esta decresce, o valor da resistência varia suavemente até que, em determinada temperatura, ele cai abruptamente a zero. A temperatura em que isso ocorre é conhecida como temperatura crítica (T_c) do material observado. Diz-se então que o material é supercondutor abaixo dessa temperatura.

Mas, no alvorecer de seu primeiro centenário, a supercondutividade permanece envolta em mistério e ainda não permitiu que a humanidade a utilizasse em muitas das suas tão sonhadas e plausíveis aplicações tecnológicas.

Como é usual acontecer com as grandes descobertas, a da supercondutividade resultou de um conjunto de eventos fortuitos conduzidos e observados por cientistas. No início do século passado, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) dedicava-se à liquefação do hélio para obter temperaturas próximas do zero absoluto – ou zero Kelvin (0 K). Conseguiu a façanha em 1908, obtendo a temperatura de 4,2 K, o que lhe valeu o Prêmio Nobel de Física de 1913.

A motivação para a obtenção de temperaturas tão baixas era, principalmente, o estudo da resistência elétrica dos metais em função da temperatura. De acordo com o conhecimento da época, para levar adiante esses estudos seria preciso usar amostras metálicas de alta pureza.

O físico holandês Gilles Holst (1886-1968), um dos colaboradores de Onnes, teve a ideia de usar mercúrio em vez de um metal. Por se tratar de um líquido, a purificação do mercúrio era uma tarefa banal. Então, no dia 8 de abril de 1911, eles colocaram um tubo capilar cheio de mercúrio no hélio líquido e mediram a resistência elétrica do material em função da temperatura: a 4,2 K, a resistência era tão pequena que não podia ser medida. Estava descoberta a ‘supracondução’, primeiro termo usado por Onnes para descrever o fenômeno.

Ironicamente, tudo poderia ter sido muito mais simples. Bastaria ter colocado um pedaço qualquer de chumbo, impuro que fosse, e observariam o fenômeno em temperatura por volta de 7,2 K. Mas apenas em 1913 eles fizeram o experimento com esse metal.

Além disso, havia outro incômodo na supercondutividade: o estado de resistência zero desaparecia quando a amostra era colocada nas proximidades de um campo magnético, por mais fraco que fosse esse campo.

Sabe-se hoje que a explicação para isso é que vários supercondutores descobertos naquela época eram metais elementares, muitos deles supercondutores do tipo I. Nesses metais, o estado supercondutor existe apenas em uma fina camada superficial e é facilmente destruído por campos magnéticos acima de determinado valor que penetram no material.

Passaram-se duas décadas até que a existência de supercondutividade em ligas metálicas fosse reconhecida. Era o nascimento dos supercondutores do tipo II, com temperaturas críticas maiores e estado supercondutor distribuído em grande volume da amostra, de modo que o material resistia mais à presença de campos magnéticos.

Essa interação entre estado supercondutor e campo magnético foi bem investigada pelos físicos alemães Walther Meissner (1882-1974) e Robert Ochsenfeld (1901-1993), que, em 1933, descobriram o efeito Meissner, uma das principais assinaturas do estado supercondutor. O fenômeno está associado à capacidade que um material supercondutor tem de repelir as linhas de força de um campo magnético.

Depois da descoberta do efeito Meissner, o grande salto na pesquisa sobre supercondutividade ocorreu no final dos anos 1950, quando os físicos estadunidenses John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (1930-) e Robert Schrieffer (1931-) apresentaram a hoje famosa teoria BCS, que lhes valeu o Prêmio Nobel de Física de 1972. Um componente importante dessa teoria é a formação de pares de elétrons, os famosos pares de Cooper, responsáveis pela condução elétrica nos supercondutores.

Se a comunidade científica recebeu com grande entusiasmo a teoria BCS, não havia como esconder a frustração pela falta de aplicações tecnológicas da supercondutividade. Mas essa conquista ocorreu poucos anos depois, com a fabricação de fios supercondutores de Nb₃Sn, NbZr e NbTi, que ainda hoje são usados nos equipamentos de ressonância magnética de laboratórios de pesquisa e de hospitais e nos eletroímãs do Grande Colisor de Hádrons (LHC), por exemplo.

Ao mesmo tempo em que os pesquisadores experimentais avançavam na elaboração de supercondutores do tipo II, por volta de 1962, o físico teórico britânico Brian Josephson (1940-) previu a existência do efeito túnel em materiais supercondutores.

Esse fenômeno resultou na invenção do Squid (dispositivo supercondutor de interferência quântica). Trata-se de um sensor que permite realizar medidas magnéticas extremamente sensíveis e é usado atualmente em inúmeros equipamentos de pesquisa e em inovadores aparelhos clínicos de magnetoencefalograma, magnetocardiograma e ressonância magnética funcional.

Nos anos 1970, o avanço científico e tecnológico associado à supercondutividade era tão lento que muita gente foi se dedicar a outras áreas de pesquisa. A história mudou em meados de 1986, com a descoberta das cerâmicas supercondutoras, algumas das quais apresentando supercondutividade abaixo de 90 K.

Encontrar um material supercondutor com temperatura crítica próxima da temperatura do nitrogênio líquido (77 K) foi um grande passo em direção ao sonho supremo da supercondutividade em temperatura ambiente (entre 294 e 296 K). Mas ninguém sabe se chegaremos lá. Na verdade, ainda estamos muito longe: o recorde atual, 138 K, pertence a um óxido à base de mercúrio, bário, cálcio e cobre.

Enquanto as cerâmicas supercondutoras não satisfazem completamente o sonho dos engenheiros, os pesquisadores da área de ciência dos materiais avançam na descoberta de compostos supercondutores, sendo o diboreto de magnésio (MgB₂) o mais novo da família. Comparado com as cerâmicas, ele é medíocre em termos de temperatura crítica (39 K), mas seu estado supercondutor resiste a altíssimos campos magnéticos, o que o credencia para a indústria elétrica de alta potência.

Fonte: Ciência Hoje