Um dos primeiros objetivos da computação quântica é recriar sistemas quânticos bizarros que não podem ser estudados em um computador comum. Um simulador quântico azarão fez exatamente isso.
Os computadores quânticos, prevêem os entusiastas, um dia farão milagres sem fim – desde quebrar criptografias digitais até criar drogas maravilhosas. Nesse estágio inicial, entretanto, a vantagem de muitos algoritmos quânticos permanece especulativa. E alguns pesquisadores se perguntam se exercer o controle necessário no nível subatômico é mesmo possível. “É uma meta muito difícil”, disse Markus Greiner, físico da Universidade de Harvard.
No entanto, mesmo sem computadores quânticos completos, os físicos estão usando tipos de máquinas relacionados e mais especializados – simuladores quânticos – para realizar um dos objetivos iniciais do campo: emular o comportamento bizantino dos sistemas quânticos.
Como disse Richard Feynman em uma palestra de 1981, “A natureza não é clássica, caramba, e se você quiser fazer uma simulação da natureza, é melhor torná-la mecânica quântica.”
Nos últimos anos, grupos em Paris e Cambridge, Massachusetts, fizeram um grande progresso nesse sentido usando um simulador quântico do tipo azarão. Eles fizeram uma série de simulações que levariam meses ou mais para serem replicadas em um computador clássico.
“Eles têm explorado algumas das fronteiras da física”, disse Ivan Deutsch, um pioneiro da tecnologia, atualmente na Universidade do Novo México.
Hoje, o grupo de Cambridge revelou sua descoberta mais significativa: a detecção de um estado indescritível da matéria conhecido como líquido de spin quântico, que existe fora do paradigma centenário que descreve as maneiras pelas quais a matéria pode se organizar. Isso confirma uma teoria de quase 50 anos prevendo o estado exótico. Também marca um passo em direção ao sonho de construir um computador quântico universal verdadeiramente útil.
“Se eu considerar toda a história dos experimentos atômicos ultracold, provavelmente foi um dos experimentos mais impressionantes e inovadores no campo”, disse Ehud Altman, um teórico da matéria condensada da Universidade da Califórnia, Berkeley.
Ficar Neutro
O novo trabalho usa uma nova abordagem para computação quântica baseada em átomos neutros. Embora o método esteja atrasado em relação às tecnologias de computação quântica mais populares, como circuitos supercondutores ou íons aprisionados, os átomos neutros têm propriedades especiais que há muito capturam a imaginação dos engenheiros quânticos.
A chave para construir um computador quântico é reunir uma coleção de qubits – objetos quânticos semelhantes aos bits clássicos – que satisfazem dois requisitos contraditórios. Os qubits devem primeiro ser protegidos do mundo externo, caso contrário, as vibrações e o calor destruirão seu mojo quântico. No entanto, eles devem ser simultaneamente acessíveis e manipuláveis.
Os átomos neutros equilibram essas demandas especialmente bem, dizem os proponentes. Os feixes de laser podem capturar e mover átomos como um feixe trator, protegendo-os de interferências externas. Um pulso de laser adicional pode inflar os átomos em um estado superdimensionado de “Rydberg”, semelhante a um bit clássico. De maneira crítica, esses qubits de átomos neutros podem assumir “superposições” de grandes e pequenos ao mesmo tempo e também podem se conectar remotamente por meio do “emaranhamento” – os dois ingredientes essenciais para a computação quântica.
Os pesquisadores vêm estendendo seu controle sobre os átomos neutros há duas décadas. Grupos pioneiros agarraram átomos individuais com “pinças” de laser em 2001, depois pares de átomos emaranhados em 2010. Um grande avanço veio em 2016, quando os grupos em Cambridge e Paris descobriram como lidar com hordas de dezenas de átomos. As máquinas da próxima geração atingiram os três dígitos, tornando os futuros computadores simuladores poderosos de fenômenos quânticos.
“Estamos falando de 256 qubits contra 100 ou 50 qubits”, disse Deutsch. “Isso realmente importa.”
Os pesquisadores têm usado essas grades de átomos neutros para sondar as fases da matéria quântica. São como as fases familiares de líquido e sólido, mas com configurações mais exóticas e complicadas, possibilitadas por sobreposição e emaranhamento na mistura. A exploração das fases quânticas é uma busca fundamental, mas também pode ter aplicações práticas, como a compreensão do que causa a supercondutividade em alta temperatura.
Os físicos da matéria condensada estudam essas fases usando cristais encontrados na natureza e o que eles podem cultivar em seus laboratórios. Mas os pesquisadores de átomos neutros podem “programar” de forma flexível sua matéria, posicionando precisamente os átomos em redes de qualquer forma e projetando interações atômicas sob medida por meio da manipulação dos estados de Rydberg.
“Basicamente”, disse Mikhail Lukin, um líder do grupo de Cambridge, “nós montamos um cristal artificial”.
Neste verão, os grupos de Cambridge e Paris simularam uma teoria didática do magnetismo – o modelo quântico de Ising – para matrizes de 256 e 196 átomos, respectivamente, e mediram com precisão como os bolsões de magnetismo aumentam e diminuem com a mudança de temperatura pela primeira vez. As simulações levariam meses para serem feitas em um computador clássico. “O aparato experimental está em um estágio em que tentar simular a coisa se torna impraticável”, disse Thierry Lahaye, um físico que trabalha com o grupo de Paris. Ambas as equipes descreveram suas simulações quânticas de Ising na Nature em julho.
Agora, a colaboração de Cambridge, composta pela equipe de Lukin em Harvard, o laboratório de Greiner em Harvard e o grupo de Vladan Vuleti? no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, usou seu simulador quântico para sondar uma fase da matéria há muito procurada.
Em 1973, Philip Anderson, um pioneiro da matéria condensada e eventual ganhador do Nobel, previu que a matéria poderia entrar em um estado bizarro chamado líquido de spin quântico. Muitos átomos têm uma propriedade quântica conhecida como “spin”, que define uma direção. Os giros interagem magneticamente, o que pode fazer com que eles tendam a apontar em direções opostas, especialmente em baixas temperaturas. Mas se três átomos estão dispostos em um triângulo, apenas dois dos três podem apontar em direções opostas. Portanto, uma rede de átomos em forma de triângulo não pode “congelar” em um padrão organizado de spins. Mesmo no zero absoluto, os spins continuam a flutuar, de forma análoga a como os átomos se espalham em um líquido.
Os líquidos de spin quântico apresentam muito emaranhamento. Esse recurso leva à ordem “topológica”, porque partículas individuais podem detectar a topologia geral do sistema – ou geometria. Faça um furo em um cubo de gelo e ele ficará congelado, mas remova os átomos do centro de um líquido quântico de spin e as propriedades do sistema podem mudar. Isso coloca os líquidos quânticos de spin em uma nova classe de matéria.
Vários grupos viram indícios indiretos de líquidos quânticos de spin, como no mineral Herbertsmithita, que tem uma estrutura cristalina especialmente frustrante para os átomos. Mas é quase impossível confirmar diretamente o status de um material como um líquido de spin quântico, porque seu emaranhamento de definição e a ordem topológica relacionada não podem ser medidos em um ponto.
O grupo de Cambridge usou o simulador quântico para obter uma visão panorâmica. Eles primeiro programaram seus átomos neutros para agirem como os átomos em Herbertsmithite, com o estado de Rydberg ligado-desligado representando o spin. Eles então mediram os estados de Rydberg ao longo de loops e cadeias de átomos para obter observações não locais envolvendo emaranhamento. O resultado é a primeira medição direta da ordem topológica de um líquido de spin quântico.
“O incrível é que parece muito convincente”, disse Altman, que não estava envolvido.
A primeira descoberta nítida de uma fase topologicamente ordenada da matéria – o efeito hall quântico fracionário – ganhou o Prêmio Nobel em 1998. Agora, os simuladores quânticos estão dando aos pesquisadores o controle necessário para dissecar completamente um segundo exemplo.
“Esta sondagem de líquidos quânticos de spin – na minha opinião, é um momento muito especial”, disse Lukin.
Ampliando
Simuladores quânticos podem ser úteis para uma série de problemas práticos, e ambos os grupos de átomos neutros lançaram negócios derivados: Pasqal para a equipe de Paris e QuEra Computing em Cambridge, que no início deste mês anunciou que levantou $ 17 milhões de investidores, incluindo os japoneses Rakuten, gigante das comunicações e do comércio eletrônico.
A longo prazo, as empresas esperam transformar seus simuladores em computadores quânticos universais, capazes de lidar com qualquer cálculo quântico. Isso exigiria controle completo sobre átomos individuais para usá-los como qubits completos. Embora não sejam tão maduros nesse aspecto quanto os computadores quânticos supercondutores do Google e da IBM – que recentemente anunciaram um processador quântico universal de 127 qubit – os átomos neutros ainda podem alcançá-los. “Às vezes começo a ficar cético”, disse Greiner. “Então, ao mesmo tempo, olho para o nosso laboratório e vejo que, mesmo com um punhado de átomos, podemos fazer coisas que nenhum supercomputador pode calcular.”
Publicado em 03/12/2021 06h19
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