Computador quântico simula matéria “surgindo”
Pesquisadores liderados pelo Duke Quantum Center (DQC) usaram um simulador quântico para observar a dinâmica de quebra de cordas conectada à formação de partículas antipartículas, marcando uma das primeiras demonstrações desse tipo na física quântica.
O trabalho, publicado em 23 de setembro na Nature Physics, mostra como os computadores quânticos de íons aprisionados podem se tornar ferramentas poderosas para explorar algumas das questões mais profundas da física fundamental. O experimento simulou um processo conhecido como quebra de corda, no qual dois blocos de matéria conectados são separados até que tanta energia se acumule que novas partículas possam efetivamente “surgir” quando a conexão for interrompida.
“As simulações de computador quântico fornecem a melhor plataforma para investigar questões complexas como a formação da matéria, sem ter testemunhado o próprio Big Bang”, disse Christopher Monroe, Distinto Professor Presidencial de Engenharia Elétrica e de Computação e Física da Família Gilhuly na Duke, que liderou esta pesquisa. “Essas descobertas sinalizam um desenvolvimento marcante no campo da ciência quântica e abrem novos caminhos para entendermos a dinâmica da quebra de cordas”.
O estudo foi realizado por uma colaboração internacional que incluiu pesquisadores da Universidade de Maryland (UMD), Universidade de Oxford, Instituto de Tecnologia da Califórnia, Universidade Cornell e KU Leuven. As descobertas aparecem juntamente com outros dois estudos publicados recentemente por equipes distintas que reproduziram física semelhante usando diferentes tipos de hardware de computação quântica.
Quarks estão entre os blocos de construção da matéria conhecidos mais fundamentais. Eles são encontrados dentro de partículas como prótons e nêutrons e são aproximadamente um bilhão de vezes menores que um átomo. Atualmente, os cientistas não podem observar quarks isolados diretamente porque os quarks normalmente permanecem fortemente ligados entre si.
Uma maneira de imaginar isso é imaginar duas minúsculas partículas carregadas conectadas por uma corda bem esticada. Quanto mais distantes eles estão, mais energia é armazenada na conexão entre eles.
Eventualmente, energia suficiente pode se acumular para criar partículas carregadas adicionais. Isto é possível porque massa e energia estão relacionadas através da famosa equação de Einstein E=mc2. Em vez de terminar com um par separado, a conexão original se rompe e novos pares de partículas se formam.
Tais processos requerem enormes quantidades de energia e normalmente ocorrem apenas sob condições extremas, como aquelas criadas dentro do Grande Colisor de Hádrons ou aquelas que se acredita terem existido logo após o Big Bang.
No novo experimento, a equipe liderada por Duke reproduziu um comportamento análogo de quebra de cordas usando uma plataforma quântica de íons aprisionados. Os simuladores quânticos são especialmente úteis para esse tipo de trabalho porque os pesquisadores podem controlá-los com precisão e programá-los para imitar processos físicos que ocorrem em escalas atômicas e subatômicas.
“Trabalhar na interseção entre simulação quântica e física de alta energia é incrivelmente emocionante”, disse Arinjoy De, primeiro autor do artigo, ex-aluno de doutorado no laboratório de Monroe e agora líder de máquinas de produção na QuEra Computing. "Ao simular o confinamento de quarks e fenómenos de quebra de cordas num ambiente de laboratório controlado, estamos a abrir novos caminhos para investigações experimentais sobre o comportamento da matéria no seu nível mais fundamental."
Para construir a simulação, os pesquisadores codificaram um modelo de quebra de corda em uma cadeia de 13 íons presos. Feixes de laser cuidadosamente controlados foram então usados para ajustar como os íons interagiam entre si.
Essas interações permitiram à equipe controlar a energia do sistema de uma forma que reproduzisse o alongamento e eventual quebra de uma partícula semelhante a uma corda.
Os pesquisadores prepararam o sistema em um estado fora de equilíbrio e depois acompanharam como ele mudou ao longo do tempo. Isso permitiu detectar o aparecimento de cargas efetivas e reconstruir a dinâmica associada ao processo simulado de ruptura da corda.
Para verificar os resultados, a equipe também modelou o mesmo processo usando um computador clássico. Os cálculos clássicos concordaram com os resultados experimentais produzidos pelo simulador quântico.
Para simulações nesta escala relativamente pequena, os computadores clássicos ainda podem realizar os cálculos. Os pesquisadores esperam que, à medida que os experimentos futuros se tornem maiores e mais complicados, os computadores quânticos eventualmente serão capazes de resolver versões desses problemas que as máquinas clássicas não conseguem resolver.
Outros grupos de pesquisa alcançaram recentemente marcos semelhantes usando diferentes formas de hardware quântico. Equipes lideradas pelo Google e pela QuEra Computing recriaram modelos de quebra de cordas relacionados usando circuitos supercondutores e átomos neutros, respectivamente. Cada abordagem vem com seus próprios pontos fortes e limitações.
“Essas são as três plataformas que lideram a computação quântica, por isso é uma boa referência e comparação para a comunidade quântica”, acrescentou Monroe.
Os resultados dos íons aprisionados representam mais um passo em direção às simulações quânticas que são complexas demais até mesmo para os supercomputadores convencionais mais poderosos do mundo.
Se os sistemas quânticos continuarem a crescer, os investigadores poderão eventualmente utilizá-los para investigar questões que são difíceis ou impossíveis de reproduzir diretamente em laboratório, incluindo como a matéria se comportou e evoluiu logo após o Big Bang.
“Como físico, é incrivelmente emocionante investigar as condições do universo primitivo numa máquina de computação de nível atómico”, disse Zohreh Davoudi, professor associado de física na UMD, que fez parte da equipa de investigação. "Mesmo os menores insights de um modelo físico fora de equilíbrio nos guiarão no futuro."
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), Fundação Nacional de Ciência (OMA-2120757), Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa e Amazon Web Services.
Materiais fornecidos pela Duke University. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
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