Simulador quntico retorce tomos no espao e no tempo

Espao

Redação do Site Inovação Tecnológica – 27/02/2023

Em dois experimentos com tomos ultrafrios, pesquisadores exploraram a paisagem de diferentes formas topolgicas criadas no espao e no tempo.
[Imagem: Dina Genkina/JQI]

Computador, conhece-te a ti mesmo

Quando se fala nos computadores qunticos logo vem mente a superao radical dos supercomputadores, com o processamento rpido de megadados, de novas formas de inteligncia artificial, de simuladores do clima impensveis hoje e muito mais.

Mas uma das aplicaes mais interessante e mais esperadas dos computadores qunticos ser direcionar seu olhar para dentro, para as prprias regras qunticas que os fazem funcionar: Os computadores qunticos podero ser usados para simular a prpria fsica quntica e talvez at explorar reinos que no existem em nenhum lugar da natureza.

Mas, mesmo sem contarmos ainda com um computador quntico de grande escala totalmente funcional, j estamos caminhando nesse sentido usando um tipo muito especial de processamento, que os fsicos chamam de simulador quntico.

A plataforma lder para a simulao quntica usa como qubits tomos ultrafrios – tomos que so resfriados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto. Esses tomos podem ser controlados com feixes de laser e campos magnticos e persuadidos a executar uma rotina de dana quntica coreografada projetada pelo cientista.

parecido com um programa de computador tradicional, s que, em vez de criar objetos em software e estabelecer seus comportamentos, as prprias partculas fazem o que elas sabem fazer de melhor: Ser elas mesmas. Nenhum programa de computador consegue conter todos os comportamentos possveis de uma partcula, sobretudo quando se leva em conta que sequer sabemos tudo sobre essas partculas e seus comportamentos. Assim, um simulador quntico usa o prprio mundo natural para simular o mundo natural.

Duas configuraes de laser que a equipe alternou ritmicamente para enrolar seus tomos no espao e no tempo.
[Imagem: Mingwu Lu/JQI]

Simulador quntico

Agora, pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI), da Universidade de Maryland, nos Estados Unidos, lanaram uma verso 2.0 dos simuladores qunticos – o brasileiro Amilson Fritsch, da USP de So Carlos (SP), faz parte do grupo.

Em dois experimentos, eles contorceram o formato dos seus tomos, enrolando suas rotaes mecnicas-qunticas (spins) no espao e no tempo, antes de “amarr-los” para criar uma espcie de pretzel espao-temporal quntico.

Os tomos ultrafrios foram usados para emular eltrons em um cristal. O papel do cristal desempenhado por lasers, que criam um padro repetitivo de luz parecido com uma caixa de ovos, para os tomos ultrafrios habitarem. A localizao e a velocidade dos tomos tambm adquirem um padro repetitivo, e os spins atmicos traam formas que definem a topologia.

Em seu experimento de enrolamento dos tomos, os fsicos criaram um cristal bidimensional, mas no nas duas dimenses usuais de uma folha de papel: Uma das dimenses estava no espao, como a direo de um fio fino, enquanto a outra era o tempo. Nessa folha composta de espao e tempo, o spin dos tomos desenhava uma curiosa forma em funo da velocidade dos tomos no cristal tempo-espao.

Os pesquisadores ento mapearam a forma curvilnea do espao-tempo que criaram e observaram como seus tomos transitavam entre diferentes formas sinuosas, identificando uma estrutura rica, inacessvel a tomos simples e estacionrios usados nos simuladores atuais.

Foi um simulador quntico que permitiu, pela primeira vez, isolar os monopolos magnticos, separando um m em seus dois plos constituintes.
[Imagem: LANL]

Topologia

Essa configurao, lidando com o espao e com o tempo, torna o simulador ideal para lidar com a topologia, a classificao dos objetos de acordo com o nmero de buracos que eles tm. Essa classificao enganosamente simples de formas tem sido surpreendentemente impactante na fsica. Ela explica coisas como o efeito Hall quntico, que produz uma resistncia eltrica precisamente repetvel usada para definir o padro de resistncia, e os isolantes topolgicos, que prometem um dia servir como componentes de computadores qunticos robustos, alm de servirem para outras plataformas computacionais.

Mas a topologia que mais interessa aos fsicos no est realmente relacionada forma do material real. Em vez disso, a forma assumida pelas ondas qunticas que viajam dentro do material. Frequentemente, os fsicos observam uma propriedade intrnseca das partculas qunticas, chamada spin, e como ela gira medida que uma partcula acelera ou desacelera dentro do pedao slido de material.

A novidade que no se trata apenas de uma forma em um espao: O tempo funciona efetivamente como outra dimenso nessa curiosa dana dos tomos.

“A topologia definida em relao s superfcies. Uma das dimenses que definem a superfcie pode ser o tempo. Isso conhecido h algum tempo teoricamente, mas s agora est sendo testado experimentalmente,” disse Ian Spielman, membro da equipe.

Simulaes aos milhes

Para criar uma superfcie que se curvasse sobre si mesma tanto no espao quanto no tempo, os pesquisadores lanaram lasers de duas direes e um campo magntico de radiofrequncia de cima sobre sua nuvem de tomos ultrafrios. Os lasers e o campo magntico se combinaram para criar reas de alta e baixa energia, em relao s quais os tomos so empurrados ou atrados, como uma caixa de ovos.

E esta caixa tinha uma forma peculiar: Em vez de duas fileiras de acomodaes, como em uma caixa de ovos comum, havia apenas uma fileira. E cada acomodao da caixa era composta de dois sub-compartimentos, produzindo um padro semelhante a um cristal repetitivo ao longo de uma linha no espao.

Ao ajustar como os lasers e os campos magnticos se alinham uns em relao aos outros, a equipe pode mudar todo o padro para o lado em um sub-compartimento. Mas eles no mudaram apenas uma vez, eles sacudiram ritmicamente a caixa de ovos para frente e para trs numa agitao rtmica que criou um padro repetitivo no tempo, semelhante ao padro espacial repetitivo dos tomos de um cristal.

Esses no eram estados naturais e confortveis para os tomos: Eventualmente, os tomos se estabelecem em seus estados mais naturais, seus estados de equilbrio. Mas, ao longo do caminho, os pesquisadores puderam capturar quadros congelados de vrias formas topolgicas diferentes – algumas que nunca ocorreriam, a no ser por um instante. Esses resultados revelaram novos mistrios que os pesquisadores agora precisaro investigar em detalhes.

Se, dispondo apenas de experimentos simples e usando uma caixa de ovos qunticos os fsicos j se depararam com novas avenidas de pesquisa, imagine quando tivermos simuladores qunticos com milhes de qubits, facilmente controlveis e permitindo repetir experimentos exausto alterando cada parmetro de uma vez… esperar para ver.

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