Cientistas da Universidade Técnica de Munique e da Universidade de Nottingham usam processador quântico para simular estados 2D da matéria quântica

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06/12/2021 as 09:15
De olho na Engenharia
Cientistas  da Universidade Técnica de Munique e da Universidade de Nottingham usam processador quântico para simular estados 2D da matéria quântica

Como seria se vivêssemos em um mundo bidimensional plano? Os físicos prevêem que a mecânica quântica seria ainda mais estranha nesse caso, resultando em partículas exóticas – chamadas de “anyons” – que não podem existir no mundo tridimensional em que vivemos. Este mundo desconhecido não é apenas uma curiosidade, mas pode ser a chave para desbloquear materiais quânticos e tecnologias do futuro.

Em colaboração com a equipe Google Quantum AI, cientistas da Universidade Técnica de Munique e da Universidade de Nottingham usaram um processador quântico altamente controlável para simular esses estados da matéria quântica. Seus resultados aparecem na edição atual da renomada revista científica Science.

Partículas quânticas emergentes em sistemas bidimensionais

Todas as partículas em nosso universo vêm em dois sabores, bósons ou férmions. No mundo tridimensional em que vivemos, essa observação permanece firme. No entanto, foi teoricamente previsto há quase 50 anos que outros tipos de partículas, chamadas de anyons, poderiam existir quando a matéria está confinada a duas dimensões.

Embora esses anyons não apareçam como partículas elementares em nosso universo, verifica-se que partículas anyônicas podem emergir como excitações coletivas nas chamadas fases topológicas da matéria, pelas quais o Prêmio Nobel foi concedido em 2016.

“Torcer pares desses anyons movendo-os um ao redor do outro na simulação revela suas propriedades exóticas – os físicos chamam isso de estatística de trança”, disse o Dr. Adam Smith, da Universidade de Nottingham.

Uma imagem simples para essas excitações coletivas é “a onda” na multidão de um estádio – ela tem uma posição bem definida, mas não pode existir sem as milhares de pessoas que compõem a multidão. No entanto, perceber e simular experimentalmente tais estados topologicamente ordenados provou ser extremamente desafiador.

Processadores quânticos como plataforma para simulações quânticas controladas

Em experimentos marcantes, as equipes do TUM, Google Quantum AI e da Universidade de Nottingham programaram o processador quântico do Google para simular esses estados bidimensionais da matéria quântica. “O processador quântico do Google, chamado Sycamore, pode ser controlado com precisão e é um sistema quântico bem isolado, que são requisitos essenciais para realizar cálculos quânticos”, disse Kevin Satzinger, cientista da equipe do Google.

Os pesquisadores criaram um algoritmo quântico para perceber um estado com ordem topológica, que foi confirmado simulando a criação de excitações de anyon e torcendo-as umas nas outras. As impressões digitais do emaranhamento quântico de longo alcance puderam ser confirmadas em seu estudo. Como uma aplicação possível, tais estados topologicamente ordenados podem ser usados para melhorar os computadores quânticos, realizando novas formas de correção de erros. Os primeiros passos em direção a esse objetivo já foram alcançados em seu trabalho.

“Os processadores quânticos de curto prazo representarão uma plataforma ideal para explorar a física da matéria de fases quânticas exóticas”, disse o Prof. Frank Pollmann da TUM. “Em um futuro próximo, os processadores quânticos prometem resolver problemas que estão além do alcance dos supercomputadores clássicos atuais.”

Fonte: Engenharia é

Em colaboração com a equipe de cientistas do Google Quantum AI da Universidade Técnica de Munique (TUM) e da Universidade de Nottingham, usaram um processador quântico para simular o estado fundamental de um chamado Hamiltoniano de código tórico – um sistema de modelo arquetípico na física moderna da matéria condensada , que foi originalmente proposto no contexto da correção de erros quânticos. A imagem mostra os valores de paridade medidos experimentalmente para uma rede de 31 qubit no estado fundamental do código tórico. Os qubits (“×”) são colocados nas ligações de uma rede quadrada. Os valores de expectativa de paridade dos operadores estrela e placa são mostrados como ladrilhos azuis e roxos, respectivamente. A fidelidade média de 0,92 ± 0,06 mostra que o estado fundamental foi preparado com alta precisão. Crédito: Google Quantum AI