Pesquisadores observam saltos quânticos em ondas sonoras pela primeira vez

Há mais de um século, os físicos teorizaram sobre saltos quânticos — aqueles pulos abruptos que elétrons fazem entre níveis de energia, sem passar por nada no meio. Niels Bohr descreveu o fenômeno no início dos anos 1900. Desde então, cientistas confirmaram esses saltos em íons e em fótons, as partículas de luz. Mas ninguém havia visto isso acontecer em ondas sonoras. Até agora.

Pesquisadores da Universidade de Stanford conseguiram observar, pela primeira vez, saltos quânticos em ondas de som. O trabalho foi publicado na revista Science na semana passada e representa a confirmação experimental de algo que os físicos já esperavam encontrar — mas que exigiu décadas de espera e uma engenhosidade técnica considerável. O professor Amir Safavi-Naeini, que liderou o projeto, descreveu o avanço como uma nova capacidade de monitorar o estado quântico de um sistema mecânico em tempo real, repetidamente.

O desafio estava na medição. Diferentemente de fótons, que são mais fáceis de estudar, as ondas sonoras são sistemas acústicos frágeis. Qualquer tentativa de medi-los interfere com eles — é como tentar observar uma bolha sem estourá-la. Pierre-Louis de Assis, físico do Instituto de Física da Unicamp, explica que essa dificuldade técnica é a razão pela qual a observação levou tanto tempo. Ele elogia o trabalho de Stanford como "muito bonito" do ponto de vista da engenharia.

Para contornar o problema, a equipe de Stanford construiu um ressonador — uma placa de niobato de lítio com um design que funciona como pequenos espelhos. Esse dispositivo aprisionava um único fônon, a unidade mínima de energia do som, mantendo as vibrações confinadas para que a energia não vazasse para o ambiente. O ressonador foi então acoplado a um qubit supercondutor, o mesmo tipo de componente que alimenta os computadores quânticos do Google e da IBM. Esse qubit funcionava como um aparelho de medição extremamente sensível.

O experimento funcionava assim: o sistema mecânico vibrante perturbava o qubit supercondutor, permitindo que os pesquisadores medissem se havia energia no ressonador ou não. A oscilação durou dois milissegundos — um tempo longo na escala da computação quântica, o que permitiu centenas de medições. Os resultados foram claros: as transições entre estados energéticos eram abruptas, não graduais. Se a mudança fosse suave e contínua, as medições mostrariam uma progressão gradual. Em vez disso, os dados se pareciam exatamente com os saltos quânticos já observados em experimentos com fótons.

Agora vem a parte que interessa para o futuro da tecnologia. Safavi-Naeini planeja acoplar múltiplos ressonadores mecânicos ao mesmo qubit supercondutor para construir uma memória quântica baseada em ondas mecânicas. A ideia é que o fônon armazenado guarde informações quânticas. Mais importante ainda: essa memória poderia detectar erros sem destruir a informação — um problema crítico em computação quântica. A perda energética é um dos erros que precisam ser corrigidos, e agora há uma forma de identificar exatamente quando ela ocorre.

José Augusto Oliveira Huguenin, professor do Instituto de Ciências Exatas da UFF, chama a geometria desenvolvida por Stanford de "grande avanço tecnológico". Os ressonadores têm vantagens significativas: são escaláveis e mantêm a memória quântica por um tempo razoável, o que os torna candidatos fortes para aplicações práticas em computadores quânticos. Fótons, em comparação, exigem equipamentos muito maiores, dificultando a escalabilidade.

Há, porém, um obstáculo real. O sistema requer temperaturas próximas ao zero absoluto. Pequenas flutuações térmicas podem apagar a memória inteira. Com fótons, a temperatura pode permanecer ambiente. Esse desafio de manutenção criogênica será um dos próximos passos que a equipe de Stanford precisará resolver enquanto trabalha em medições ainda menos intrusivas e em períodos de observação mais longos.