DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.166601
Credibilidade: 999
#Emaranhamento #Entrelaçamento
Num novo estudo, cientistas dos EUA e de Taiwan demonstraram teoricamente a existência de um limite inferior universal na entropia do emaranhamento topológico, que é sempre não negativo. As descobertas são publicadas na revista Physical Review Letters.
Os sistemas quânticos são bizarros e seguem as suas próprias regras, com estados quânticos a dizer-nos tudo o que sabemos sobre esse sistema. A entropia de emaranhamento topológico (TEE) é uma medida que fornece insights sobre fenômenos não locais emergentes e emaranhamento em sistemas quânticos com propriedades topológicas.
Dado o papel fundamental do emaranhamento quântico na computação quântica e em diversas aplicações de informação, compreender o TEE torna-se essencial para obter insights sobre o comportamento dos sistemas quânticos.
Extraindo informações de sistemas quânticos
Em sistemas quânticos, observa-se frequentemente que as entropias de emaranhamento seguem uma lei de área. Isto significa que o emaranhado entre partículas ou regiões está relacionado com a área da fronteira que as separa. TEE é um termo específico dentro da entropia de emaranhamento que fornece informações adicionais. É como um termo de correção que caracteriza a fase topológica do sistema.
Na física da matéria condensada, uma fase topológica refere-se a um estado específico da matéria caracterizado por propriedades topológicas únicas. Estas propriedades estão associadas ao comportamento das partículas dentro do material, como anyons, e podem ser distinguidas pelos seus valores TEE.
“O TEE é uma coisa fascinante. Ao calcular a entropia de emaranhamento de um único estado fundamental, podemos aprender o número de espécies de anyons (partículas emergentes que não são bósons nem férmions) da fase da matéria. Foi lançado há 18 anos. Acredito que muitas pessoas se inspiraram nisso. A área de pesquisa em que trabalho pode não existir sem esses primeiros trabalhos”, disse o Dr. Bowen Shi, principal autor do estudo, ao Phys.org.
Em muitos modelos, acredita-se que o TEE tenha um valor universal que caracteriza as propriedades da fase topológica subjacente. No entanto, nem sempre é esse o caso. O TEE pode diferir entre dois estados relacionados por circuitos de profundidade constante. Esses circuitos são um tipo específico de operação de circuito quântico que executa uma série de portas ou transformações quânticas de uma forma que restringe sua profundidade, ou seja, o número de operações sequenciais.
A ideia principal é que esses circuitos manipulam estados quânticos e, de acordo com a teoria, os estados relacionados por tais circuitos deveriam estar na mesma fase porque as operações não alteram significativamente a física subjacente.
No entanto, nem sempre é esse o caso, e as variações no ETE entre esses estados são frequentemente chamadas de ETE espúrio.
Shi ressalta o poder transformador do TEE, dizendo: “A primeira vez que li os artigos originais do TEE, eu estava na pós-graduação estudando física de partículas. Agora, estudo partículas emergentes, onde certas propriedades emergem naturalmente com grandes graus de liberdade. Meus colaboradores e eu argumentamos que agora podemos usar uma única função de onda e a lei da área de emaranhamento para prever a emergência de anyons e o valor correto de TEE.”
Essencialmente, eles possuem uma ferramenta para compreender e prever o comportamento de partículas emergentes e suas características de emaranhamento.
Invariância TEE e limite inferior universal
Os pesquisadores queriam compreender a confiabilidade da extração de propriedades universais de uma função de onda do estado fundamental. Para explorar isso, eles se concentraram em estados fundamentais bidimensionais (2D) com lacunas.
Esses estados existem em sistemas 2D, como filmes finos ou materiais 2D, e são caracterizados por uma lacuna de energia que separa o estado fundamental dos estados excitados de maior energia. Esta lacuna de energia garante a estabilidade e a natureza bem definida do estado fundamental, tornando-o uma plataforma ideal para investigação de ETE.
Depois disso, eles introduziram ruído nos estados fundamentais com lacunas usando um circuito de profundidade constante. Este ruído é semelhante a perturbações ou perturbações no sistema. O objetivo deles era observar como o ETE espúrio mudava quando o estado fundamental lacunado era perturbado. O que eles descobriram foi verdadeiramente notável.
“Descobrimos que o novo estado deve extrair um valor maior de TEE do que o estado sem ruído. Em outras palavras, a chamada entropia de emaranhamento topológico espúrio é sempre não negativa”, explicou o Dr.
Basicamente, isso significa que existe um limite inferior universal para o TEE, que é consistentemente não negativo. Em termos simples, a entropia de emaranhamento dentro desses estados fundamentais com lacunas 2D permanece não negativa, independentemente das perturbações introduzidas pelo circuito de profundidade constante.
Dr. Shi comparou isso a um vidro que fica sempre mais leve quando removemos a poeira de sua superfície. Limpar o pó de um vidro não o torna mais pesado, mas revela o seu verdadeiro peso. Da mesma forma, adicionar ruído não diminui o TEE, mas revela um TEE adicional não negativo no sistema.
Além disso, os pesquisadores fizeram uma observação importante: o TEE é invariante em circuitos quânticos de profundidade constante. Isso o torna uma ferramenta útil para compreender a fase topológica subjacente do estado fundamental.
O caminho a seguir
Falando sobre as possíveis implicações práticas de sua pesquisa, o Dr. Shi disse: “O cálculo do TEE é essencial para identificar a fase subjacente de um material. Estudos anteriores revelaram que a falha da fórmula do TEE em estados ruidosos introduziu incerteza nos resultados. Nosso limite inferior reduz metade dessa incerteza , oferecendo valor prático. Com o surgimento da computação quântica e a preparação de estados quânticos, nossas descobertas também podem ajudar nesses estados.”
A descoberta de um limite inferior universal no TEE, que é sempre não negativo, sublinha a robustez desta medida de emaranhamento mesmo na presença de perturbações introduzidas por circuitos de profundidade constante.
Ainda existem territórios desconhecidos neste campo. Os pesquisadores lançaram as bases para futuras investigações, como explorar a generalidade do impacto do ruído no TEE espúrio, especificamente o papel dos circuitos de profundidade constante, e aprofundar o comportamento do TEE em temperaturas finitas.
Estas questões abertas prometem perspectivas interessantes para pesquisas futuras no estudo de sistemas quânticos.
Publicado em 29/10/2023 13h02
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