doi.org/10.48550/arXiv.2403.16850
Credibilidade: 888
#Emaranhamento
Ao desenvolver um novo algoritmo quântico, quatro pesquisadores acidentalmente estabeleceram um limite rígido para o fenômeno “”assustador””.
No início de um século atrás, o físico Erwin Schrödinger chamou a atenção para uma peculiaridade do mundo quântico que tem fascinado e irritado pesquisadores desde então. Quando partículas quânticas como átomos interagem, elas perdem suas identidades individuais em favor de um estado coletivo que é maior e mais estranho do que a soma de suas partes. Esse fenômeno é chamado de emaranhamento.
Os pesquisadores têm uma compreensão firme de como o emaranhamento funciona em sistemas idealizados contendo apenas algumas partículas. Mas o mundo real é mais complicado. Em grandes conjuntos de átomos, como os que compõem as coisas que vemos e tocamos, as leis da física quântica competem com as leis da termodinâmica, e as coisas ficam confusas.
Em temperaturas muito baixas, o emaranhamento pode se espalhar por longas distâncias, envolvendo muitos átomos e dando origem a fenômenos estranhos como a supercondutividade. Aumente o calor, porém, e os átomos tremem, interrompendo os elos frágeis que unem as partículas emaranhadas.
Os físicos há muito tempo lutam para definir os detalhes desse processo. Agora, uma equipe de quatro pesquisadores provou(abre uma nova aba) que o emaranhamento não enfraquece apenas conforme a temperatura aumenta. Em vez disso, em modelos matemáticos de sistemas quânticos, como as matrizes de átomos em materiais físicos, há sempre uma temperatura específica acima da qual ele desaparece completamente. “Não é apenas que seja exponencialmente pequeno”, disse Ankur Moitra(abre uma nova aba) do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, um dos autores do novo resultado. “É zero.”
Os pesquisadores já haviam observado indícios desse comportamento e o apelidaram de “morte súbita(abre uma nova aba)” do emaranhamento. Mas suas evidências sempre foram indiretas. A nova descoberta, por outro lado, tem a força de uma prova matemática. Ela estabelece a ausência de emaranhamento de uma forma muito mais abrangente e rigorosa.
Curiosamente, os quatro pesquisadores por trás do novo resultado nem são físicos, e eles não se propuseram a provar nada sobre emaranhamento. Eles são cientistas da computação que tropeçaram na prova acidentalmente enquanto desenvolviam um novo algoritmo.
Independentemente de sua intenção, os resultados animaram pesquisadores na área. “É uma declaração muito, muito forte”, disse Soonwon Choi(abre uma nova aba), um físico do MIT. “Fiquei muito impressionado.”Encontrando o equilíbrio
A equipe fez sua descoberta enquanto explorava as capacidades teóricas de futuros computadores quânticos – máquinas que explorarão o comportamento quântico, incluindo emaranhamento e superposição, para executar certos cálculos muito mais rápido do que os computadores convencionais que conhecemos hoje.
Uma das aplicações mais promissoras da computação quântica é no estudo da física quântica em si. Digamos que você queira entender o comportamento de um sistema quântico. Os pesquisadores precisam primeiro desenvolver procedimentos específicos, ou algoritmos, que os computadores quânticos podem usar para responder às suas perguntas.
Mas nem todas as perguntas sobre sistemas quânticos são mais fáceis de responder usando algoritmos quânticos. Algumas são igualmente fáceis para algoritmos clássicos, que rodam em computadores comuns, enquanto outras são difíceis para os clássicos e quânticos.
Para entender onde os algoritmos quânticos e os computadores que podem executá-los podem oferecer uma vantagem, os pesquisadores geralmente analisam modelos matemáticos chamados sistemas de spin, que capturam o comportamento básico de matrizes de átomos interagindo. Eles então podem perguntar: O que um sistema de spin fará quando você o deixar sozinho em uma determinada temperatura? O estado em que ele se estabelece, chamado de estado de equilíbrio térmico, determina muitas de suas outras propriedades, então os pesquisadores há muito buscam desenvolver algoritmos para encontrar estados de equilíbrio.
Se esses algoritmos realmente se beneficiam de serem quânticos por natureza depende da temperatura do sistema de spin em questão. Em temperaturas muito altas, algoritmos clássicos conhecidos podem fazer o trabalho facilmente. O problema fica mais difícil à medida que a temperatura diminui e os fenômenos quânticos se tornam mais fortes; em alguns sistemas, fica muito difícil até mesmo para computadores quânticos resolverem em qualquer período de tempo razoável. Mas os detalhes de tudo isso permanecem obscuros.
“Quando você vai para o espaço onde precisa do quântico e quando você vai para o espaço onde o quântico nem mesmo o ajuda””, disse Ewin Tang (abre uma nova aba), pesquisador da Universidade da Califórnia, Berkeley e um dos autores do novo resultado. “Não se sabe muito.”
Em fevereiro, Tang e Moitra começaram a pensar sobre o problema do equilíbrio térmico junto com outros dois cientistas da computação do MIT: um pesquisador de pós-doutorado chamado Ainesh Bakshi(abre uma nova aba) e o aluno de pós-graduação de Moitra, Allen Liu(abre uma nova aba). Em 2023, todos eles colaboraram em um algoritmo quântico inovador(abre uma nova aba) para uma tarefa diferente envolvendo sistemas de spin, e estavam procurando um novo desafio.
“Quando trabalhamos juntos, as coisas simplesmente fluem”, disse Bakshi. “Tem sido incrível.”
Antes dessa descoberta de 2023, os três pesquisadores do MIT nunca haviam trabalhado em algoritmos quânticos. Sua formação era em teoria da aprendizagem, um subcampo da ciência da computação que se concentra em algoritmos para análise estatística. Mas, como novatos ambiciosos em todos os lugares, eles viam sua relativa ingenuidade como uma vantagem, uma maneira de ver um problema com novos olhos. “Um dos nossos pontos fortes é que não sabemos muito sobre quântico”, disse Moitra. “O único quântico que conhecemos é o quântico que Ewin nos ensinou.”
A equipe decidiu se concentrar em temperaturas relativamente altas, onde os pesquisadores suspeitavam que algoritmos quânticos rápidos existiriam, embora ninguém tivesse conseguido provar isso. Logo, eles encontraram uma maneira de adaptar uma técnica antiga da teoria da aprendizagem em um novo algoritmo rápido. Mas enquanto escreviam seu artigo, outra equipe apresentou um resultado semelhante(abre uma nova aba): uma prova de que um algoritmo promissor(abre uma nova aba) desenvolvido no ano anterior funcionaria bem em altas temperaturas. Eles foram superados.
Morte Súbita Renascida
Um pouco chateados por terem ficado em segundo, Tang e seus colaboradores começaram a se corresponder com Álvaro Alhambra(abre uma nova aba), um físico do Instituto de Física Teórica de Madri e um dos autores do artigo rival. Eles queriam descobrir as diferenças entre os resultados que haviam alcançado de forma independente. Mas quando Alhambra leu um rascunho preliminar da prova dos quatro pesquisadores, ele ficou surpreso ao descobrir que eles haviam provado outra coisa em uma etapa intermediária: em qualquer sistema de spin em equilíbrio térmico, o emaranhamento desaparece completamente acima de uma certa temperatura. “Eu disse a eles: ‘Oh, isso é muito, muito importante'”, disse Alhambra.
A equipe revisou rapidamente seu rascunho para destacar o resultado acidental. “Acontece que isso simplesmente sai do nosso algoritmo”, disse Moitra. “Obtemos mais do que esperávamos.”
Os pesquisadores observaram essa morte súbita do emaranhamento desde o final dos anos 2000, em experimentos e simulações em computadores clássicos comuns. Mas nenhum desses trabalhos anteriores conseguiu medir o desaparecimento do emaranhamento diretamente. Eles também estudaram o fenômeno apenas em sistemas pequenos, que não são os mais interessantes.
“Poderia ter sido que, para sistemas cada vez maiores, você teria que ir a temperaturas cada vez mais altas para ver a ausência de emaranhamento”, disse Alhambra. Nesse caso, o fenômeno da morte súbita pode acontecer em temperaturas tão altas que se torna irrelevante em materiais reais. Em vez disso, Tang e seus colaboradores mostraram que a temperatura na qual o emaranhamento desaparece não depende do número total de átomos no sistema. A única coisa que importa são os detalhes das interações entre átomos próximos.
A abordagem que eles usaram em sua prova foi incomum. A maioria dos algoritmos para encontrar estados de equilíbrio térmico são inspirados pela maneira como os sistemas físicos reais se aproximam do equilíbrio. Mas Tang e companhia usaram técnicas muito distantes da teoria quântica.
“É isso que é tão incrível sobre este artigo”, disse Nikhil Srivastava (abre uma nova aba), um cientista da computação em Berkeley. “A prova meio que ignora a física.”
A busca continua
A prova dos quatro pesquisadores de que sistemas de spin de alta temperatura não têm emaranhamento ajuda a explicar outra característica interessante de seu novo algoritmo: muito pouco dele é realmente quântico. É verdade que a saída do algoritmo – uma descrição completa de como os átomos em um sistema de spin são orientados em equilíbrio térmico – é muito difícil de manejar para armazenar em uma máquina clássica. Mas, além da última etapa que gera essa saída, cada parte do algoritmo é clássica.
“É essencialmente a computação quântica mais trivial”, disse Liu.
Tang tem um longo histórico de descoberta de resultados de “desquantização” – provas de que algoritmos quânticos não são realmente necessários para muitos problemas. Ela e seus colaboradores não estavam tentando fazer isso desta vez, mas a prova de emaranhamento evanescente em que eles tropeçaram equivale a uma versão ainda mais extrema da desquantização. Não é apenas que algoritmos quânticos não oferecem nenhuma vantagem em um problema específico envolvendo sistemas de spin de alta temperatura – não há nada quântico sobre esses sistemas.
Mas isso não significa que os pesquisadores de computação quântica devem perder a esperança. Dois artigos(abre uma nova aba) recentes(abre uma nova aba) identificaram exemplos de sistemas de spin de baixa temperatura nos quais algoritmos quânticos para medir estados de equilíbrio superam os clássicos, embora ainda não se saiba o quão difundido esse comportamento é. E embora Bakshi e seus colaboradores tenham provado um resultado negativo, o método pouco ortodoxo que eles usaram para chegar lá indica que novas ideias frutíferas podem vir de lugares inesperados.
“Podemos ser otimistas de que há novos algoritmos malucos a serem descobertos”, disse Moitra. “E que, no processo, podemos descobrir uma matemática linda.”
Publicado em 04/09/2024 08h28
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