Nossa intuição nos diz que deveria ser impossível ver se dois objetos idênticos foram trocados de um lado para o outro e, para todas as partículas observadas até o momento, esse foi o caso. Até agora.
Anyons não abelianos – as únicas partículas previstas para quebrar essa regra – têm sido procurados por seus recursos fascinantes e seu potencial para revolucionar a computação quântica, tornando as operações mais robustas ao ruído. A Microsoft e outros escolheram essa abordagem para seu esforço de computação quântica. Mas depois de décadas de esforços de pesquisadores no campo, observar qualquer um não-abeliano e seu comportamento estranho provou ser um desafio, para dizer o mínimo.
Em um artigo publicado no servidor de pré-impressão arXiv em outubro passado e publicado na Nature, pesquisadores do Google Quantum AI anunciaram que usaram um de seus processadores quânticos supercondutores para observar o comportamento peculiar de anyons não-abelianos pela primeira vez.
Eles também demonstraram como esse fenômeno poderia ser usado para realizar cálculos quânticos. No início desta semana, a empresa de computação quântica Quantinuum divulgou outro estudo sobre o tema, complementando a descoberta inicial do Google. Esses novos resultados abrem um novo caminho para a computação quântica topológica, na qual as operações são alcançadas enrolando anyons não abelianos uns nos outros como cordas em uma trança.
Trond I. Andersen, membro da equipe de IA quântica do Google e primeiro autor do manuscrito, diz: “Observar o comportamento bizarro de anyons não abelianos pela primeira vez realmente destaca o tipo de fenômeno emocionante que agora podemos acessar com computadores quânticos”.
Imagine que lhe mostrem dois objetos idênticos e que lhe peçam para fechar os olhos. Abra-os novamente e você verá os mesmos dois objetos. Como você pode determinar se eles foram trocados? A intuição diz que se os objetos são realmente idênticos, não há como saber.
A mecânica quântica apóia essa intuição, mas apenas em nosso familiar mundo tridimensional. Se os objetos idênticos estão restritos a apenas se moverem em um plano bidimensional, às vezes, nossa intuição pode falhar e a mecânica quântica permite algo bizarro: anyons não-abelianos retém uma espécie de memória – é possível dizer quando dois deles foram trocados, apesar de serem completamente idênticos.
Essa “memória” dos anyons não-abelianos pode ser pensada como uma linha contínua no espaço-tempo: a chamada “linha do mundo” da partícula. Quando dois anyons não-abelianos são trocados, suas linhas de mundo envolvem uma à outra. Enrole-os da maneira certa e os nós e tranças resultantes formam as operações básicas de um computador quântico topológico.
A equipe começou preparando seus qubits supercondutores em um estado quântico emaranhado que é bem representado como um tabuleiro de xadrez – uma configuração familiar para a equipe do Google, que recentemente demonstrou um marco na correção de erros quânticos usando essa configuração. No arranjo quadriculado, podem surgir partículas relacionadas, mas menos úteis, chamadas de anyons abelianos.
Para perceber qualquer um não-abeliano, os pesquisadores esticaram e comprimiram o estado quântico de seus qubits para transformar o padrão quadriculado em polígonos de formato estranho. Vértices particulares nesses polígonos hospedavam os anyons não abelianos. Usando um protocolo desenvolvido por Eun-Ah Kim na Cornell University e o ex-pós-doutorado Yuri Lensky, a equipe poderia então mover os anyons não-abelianos continuando a deformar a rede e mudando os locais dos vértices não-abelianos.
Em uma série de experimentos, os pesquisadores do Google observaram o comportamento desses anyons não abelianos e como eles interagiam com os anyons abelianos mais mundanos. A tecelagem dos dois tipos de partículas uma ao redor da outra produziu fenômenos bizarros – as partículas desapareceram misteriosamente, reapareceram e mudaram de forma de um tipo para outro enquanto se enrolavam umas nas outras e colidiam.
Mais importante ainda, a equipe observou a marca dos anyons não abelianos: quando dois deles foram trocados, isso causou uma mudança mensurável no estado quântico de seu sistema – um fenômeno impressionante que nunca havia sido observado antes.
Por fim, a equipe demonstrou como a trança de anyons não abelianos pode ser usada em cálculos quânticos. Ao trançar vários anyons não-abelianos, eles foram capazes de criar um estado emaranhado quântico conhecido chamado estado de Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ).
A física das partículas não-abelianas também está no centro da abordagem que a Microsoft escolheu para seu esforço de computação quântica. Enquanto eles tentam projetar sistemas de materiais que hospedam intrinsecamente esses qualquer um, a equipe do Google agora mostrou que o mesmo tipo de física pode ser realizado em seus processadores supercondutores.
Esta semana, a empresa de computação quântica Quantinuum divulgou um impressionante estudo complementar que também demonstrou tranças não abelianas, neste caso usando um processador quântico de íons presos. Andersen está animado para ver outros grupos de computação quântica observando tranças não-abelianas também. Ele diz: “Será muito interessante ver como os não-abelianos são empregados na computação quântica no futuro e se seu comportamento peculiar pode conter a chave para a computação quântica topológica tolerante a falhas”.
Publicado em 20/05/2023 23h38
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