Cientistas disparam átomos com laser de Fibonacci para criar uma dimensão ‘extra’ do tempo

A técnica pode ser usada para proteger dados de computadores quânticos contra erros.

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A nova fase foi feita disparando lasers em 10 íons de itérbio dentro de um computador quântico. (Créditos: Jurik Peter via Shutterstock)

Traduzido por Julio Batista
Original de para a Live Science

Ao disparar um pulso de laser de Fibonacci em átomos dentro de um computador quântico, físicos criaram uma fase completamente nova e estranha da matéria que se comporta como se tivesse duas dimensões de tempo.

A nova fase da matéria, criada usando lasers para sacudir ritmicamente um fio de 10 íons de itérbio, permite que os cientistas armazenem informações de uma maneira muito mais protegida contra erros, abrindo assim o caminho para computadores quânticos que podem reter dados por um longo período de tempo sem fazer confusão. Os pesquisadores descreveram suas descobertas em um paper publicado em 20 de julho na revista Nature.

A inclusão de uma dimensão teórica “extra” de tempo “é uma maneira completamente diferente de pensar sobre as fases da matéria”, disse o principal autor Philipp Dumitrescu, pesquisador do Centro de Física Quântica Computacional do Instituto Flatiron em Nova York (EUA), em um comunicado. “Eu tenho trabalhado nessas ideias teóricas por mais de cinco anos, e vê-las se tornar realidade em experimentos é emocionante.”

Os físicos não se propuseram a criar uma fase com uma dimensão teórica de tempo extra, nem estavam procurando um método para permitir um melhor armazenamento de dados quânticos. Em vez disso, eles estavam interessados ​​em criar uma nova fase da matéria – uma nova forma na qual a matéria pode existir, além do padrão sólido, líquido, gasoso, plasma.

Eles começaram a construir a nova fase no processador quântico H1 da empresa de computadores quânticos Quantinuum, que consiste em 10 íons de itérbio em uma câmara de vácuo controlada com precisão por lasers em um dispositivo conhecido como armadilha de íons.

Computadores comuns usam bits, ou 0s e 1s, para formar a base de todos os cálculos. Os computadores quânticos são projetados para usar qubits, que também podem existir em um estado de 0 ou 1. Mas é aí que as semelhanças terminam. Graças às leis bizarras do mundo quântico, os qubits podem existir em uma combinação, ou superposição, dos estados 0 e 1 até o momento em que são medidos, sobre os quais eles colapsam aleatoriamente em 0 ou 1.

Esse comportamento estranho é a chave para o poder da computação quântica, pois permite que os qubits se conectem por meio do emaranhamento quântico, um processo que Albert Einstein apelidou de “ação fantasmagórica à distância”. O emaranhamento une dois ou mais qubits, conectando suas propriedades de modo que qualquer mudança em uma partícula cause uma mudança na outra, mesmo que estejam separadas por grandes distâncias. Isso dá aos computadores quânticos a capacidade de realizar vários cálculos simultaneamente, aumentando exponencialmente seu poder de processamento em relação aos dispositivos clássicos.

Mas o desenvolvimento de computadores quânticos é travado por uma grande falha: os Qubits não apenas interagem e ficam emaranhados uns com os outros; como eles não podem ser perfeitamente isolados do ambiente fora do computador quântico, eles também interagem com o ambiente externo, fazendo com que percam suas propriedades quânticas e as informações que carregam, em um processo chamado de decoerência.

“Mesmo se você mantiver todos os átomos sob controle rígido, eles podem perder sua ‘quantidade’ falando com seu ambiente, aquecendo ou interagindo com coisas de maneiras que você não planejou”, disse Dumitrescu.

Para contornar esses efeitos de decoerência irritantes e criar uma nova fase estável, os físicos recorreram a um conjunto especial de fases chamadas fases topológicas. O emaranhamento quântico não apenas permite que os dispositivos quânticos codifiquem informações nas posições singulares e estáticas dos qubits, mas também os emaranhem nos movimentos dinâmicos e interações de todo o material – na própria forma ou topologia dos estados emaranhados do material. Isso cria um qubit “topológico” que codifica informações na forma formada por várias partes em vez de uma parte sozinha, tornando a fase muito menos propensa a perder suas informações.

Uma característica fundamental da mudança de uma fase para outra é a quebra de simetrias físicas – a ideia de que as leis da física são as mesmas para um objeto em qualquer ponto no tempo ou no espaço. Como um líquido, as moléculas na água seguem as mesmas leis físicas em todos os pontos do espaço e em todas as direções. Mas se você resfriar a água o suficiente para que ela se transforme em gelo, suas moléculas escolherão pontos regulares ao longo de uma estrutura cristalina, ou treliça, para se organizarem. De repente, as moléculas de água têm pontos preferidos no espaço para ocupar, e deixam os outros pontos vazios; a simetria espacial da água foi quebrada espontaneamente.

Criar uma nova fase topológica dentro de um computador quântico também depende da quebra de simetria, mas com essa nova fase, a simetria não está sendo quebrada no espaço, mas no tempo.

Ao dar a cada íon na cadeia uma sacudida periódica com os lasers, os físicos queriam quebrar a simetria de tempo contínua dos íons em repouso e impor sua própria simetria de tempo – onde os qubits permanecem os mesmos em certos intervalos de tempo – que criaria uma fase topológica rítmica em todo o material.

Mas o experimento falhou. Em vez de induzir uma fase topológica imune a efeitos de decoerência, os pulsos regulares de laser amplificaram o ruído de fora do sistema, destruindo-o em menos de 1,5 segundo após ser ligado.

Depois de reconsiderar o experimento, os pesquisadores perceberam que, para criar uma fase topológica mais robusta, eles precisariam amarrar mais de uma simetria de tempo na cadeia de íons para diminuir as chances de o sistema ser embaralhado. Para fazer isso, eles decidiram encontrar um padrão de pulso que não se repetia simples e regularmente, mas mesmo assim mostrava algum tipo de simetria mais alta ao longo do tempo.

Isso os levou à sequência de Fibonacci, na qual o próximo número da sequência é criado adicionando os dois anteriores. Considerando que um pulso de laser periódico simples pode alternar entre duas fontes de laser (A, B, A, B, A, B e assim por diante), sua nova série de pulsos funcionou combinando os dois pulsos que vieram antes (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).

Essa pulsação de Fibonacci criou uma simetria de tempo que, assim como um quasicristal no espaço, foi ordenada sem nunca se repetir. E assim como um quasicristal, os pulsos de Fibonacci também esmagam um padrão dimensional superior em uma superfície dimensional inferior. No caso de um quasicristal espacial, como o mosaico de Penrose, uma fatia de uma treliça de cinco dimensões é projetada em uma superfície bidimensional. Ao olhar para o padrão de pulso de Fibonacci, vemos duas simetrias de tempo teóricas serem achatadas em uma única física.

Um exemplo do Mosaico de Penrose. (Créditos: Shuttershock)

“O sistema essencialmente obtém uma simetria de bônus de uma dimensão de tempo extra inexistente”, escreveram os pesquisadores no comunicado. O sistema aparece como um material que existe em alguma dimensão superior com duas dimensões de tempo – mesmo que isso possa ser fisicamente impossível na realidade.

Quando a equipe o testou, o novo pulso quase-periódico de Fibonacci criou uma fase topográfica que protegeu o sistema da perda de dados em todos os 5,5 segundos do teste. De fato, eles criaram uma fase imune à decoerência por muito mais tempo do que outras.

“Com esta sequência quase periódica, há uma evolução complicada que cancela todos os erros que vivem no limite”, disse Dumitrescu. “Por causa disso, a fronteira permanece coerente mecanicamente quântica por muito, muito mais tempo do que você esperaria.”

Embora os físicos tenham alcançado seu objetivo, resta um obstáculo para tornar sua fase uma ferramenta útil para programadores quânticos: integrá-la ao lado computacional da computação quântica para que possa ser inserida com cálculos.

“Temos essa aplicação direta e tentadora, mas precisamos encontrar uma maneira de vinculá-la aos cálculos”, disse Dumitrescu. “Esse é um problema aberto no qual estamos trabalhando.”