A física quântica, conhecida por seus fenômenos contraintuitivos em escalas subatômicas, acaba de expandir seu domínio para o mundo do som. Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, anunciaram ter observado pela primeira vez saltos quânticos em ondas sonoras, um feito que valida teorias de longa data e promete avanços significativos em áreas como a computação quântica. O estudo foi publicado na renomada revista Science.

Saltos quânticos, em sua essência, descrevem transições abruptas de energia, onde uma partícula, como um elétron, salta de um nível energético para outro sem passar por estados intermediários. Esse conceito, formulado inicialmente por Niels Bohr no início do século XX, já havia sido demonstrado com partículas de luz (fótons) e íons. A novidade agora é a aplicação desse princípio a ondas sonoras, onde a unidade mínima de energia é o fônon. A equipe liderada pelo professor Amir Safavi-Naeini conseguiu demonstrar que a absorção ou emissão de fônon por um sistema mecânico resulta em uma transição energética quântica abrupta, semelhante ao que ocorre com a luz.

“Esse trabalho nos dá a nova habilidade de repetidamente monitorar o estado quântico de um sistema mecânico em tempo real”, afirmou o professor Safavi-Naeini. A complexidade em medir sistemas acústicos sem interferir neles foi um dos motivos pelos quais a observação de saltos quânticos no som demorou a se concretizar. Pierre-Louis de Assis, do Instituto de Física da Unicamp, elogiou o trabalho como “muito bonito” do ponto de vista técnico, destacando as dificuldades superadas.

Um experimento de precisão em microescala

Para realizar a proeza, os cientistas de Stanford desenvolveram um ressonador de niobato de lítio. Este dispositivo, com um design que atua como pequenos espelhos, foi capaz de confinar um único fônon, aprisionando as vibrações da onda sonora e evitando a perda de energia para o ambiente. A estratégia consistiu em fazer com que esse sistema mecânico vibrante perturbasse outro sistema, extremamente sensível, que serviria como instrumento de medição.

Esse segundo sistema era um qubit, um componente fundamental para a computação quântica, feito de material supercondutor e também desenvolvido pela equipe de Stanford. Qubits são a base para o desenvolvimento de computadores quânticos por empresas como Google e IBM. A interação entre o ressonador acústico e o qubit permitiu aos pesquisadores monitorar a presença ou ausência de energia no sistema sonoro.

Transições abruptas confirmam a teoria quântica

O experimento registrou uma oscilação no ressonador que durou dois milissegundos, um tempo considerável na escala da computação quântica, possibilitando centenas de medições. Essas medições revelaram que as transições energéticas da onda sonora eram, de fato, abruptas. Caso a variação fosse contínua, as medições mostrariam uma mudança gradual. Em vez disso, os resultados mimetizaram as trajetórias observadas em experimentos com fótons, confirmando a natureza quântica dos saltos sonoros.

Avanços rumo à memória quântica

Os próximos passos da pesquisa, segundo o professor Safavi-Naeini, envolvem aprimorar as técnicas de medição para minimizar ainda mais a interferência e estender o tempo de observação do estado quântico. Um dos objetivos mais ambiciosos é acoplar múltiplos ressonadores mecânicos a um único qubit supercondutor, com o intuito de criar uma memória quântica baseada em ondas mecânicas. Essa memória funcionaria armazenando informações quânticas no fônon, através de sua absorção e posterior emissão.

A proposta é que essa memória quântica seja capaz de detectar erros, como a perda de energia, sem comprometer a informação armazenada. José Augusto Oliveira Huguenin, da UFF, destaca que a geometria do ressonador desenvolvida por Stanford representa um “grande avanço tecnológico”, sendo escalável e capaz de manter a memória quântica por um tempo “razoável”, o que a torna uma forte candidata para aplicações em computadores quânticos, superando as limitações de escalabilidade dos sistemas baseados em fótons. Contudo, um desafio persistente é a manutenção da baixíssima temperatura, próxima ao zero absoluto, exigida pelo sistema, pois flutuações térmicas podem apagar a informação armazenada, algo que não ocorre com sistemas fotônicos que operam em temperatura ambiente.