Esta estranha nova fase da matéria parece ocupar 2 dimensões de tempo

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O computador quântico com átomos de itérbio. (Créditos: Quantinum)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Uma nova fase da matéria foi observada em um computador quântico depois que os físicos pulsaram feixes de luz em seus qubits em um padrão inspirado na sequência de Fibonacci.

Se você acha isso incompreensível, essa estranha peculiaridade da mecânica quântica se comporta como se tivesse duas dimensões de tempo, em vez de uma; uma característica que os cientistas dizem que torna os qubits mais robustos, capazes de permanecer estáveis ​​durante toda a duração do experimento.

Essa estabilidade é chamada de coerência quântica e é um dos principais objetivos de um computador quântico livre de erros – e um dos mais difíceis de alcançar.

O trabalho representa “uma maneira completamente diferente de pensar sobre as fases da matéria”, de acordo com o físico quântico computacional Philipp Dumitrescu, do Instituto Flatiron, principal autor de um novo artigo que descreve o fenômeno.

“Eu tenho trabalhado nessas ideias teóricas por mais de cinco anos, e vê-las se tornar realidade em experimentos é emocionante.”

A computação quântica é baseada em qubits, o equivalente quântico dos bits de computação. No entanto, onde os bits processam informações em um dos dois estados, 1 ou 0, os qubits podem ser ambos simultaneamente, um estado conhecido como sobreposição quântica.

A natureza matemática dessa sobreposição pode ser incrivelmente poderosa do ponto de vista computacional, dificultando a resolução de problemas nas circunstâncias certas.

Mas a natureza difusa e instável de uma série de qubits também depende de como seus estados indecisos se relacionam entre si – uma relação chamada emaranhamento.

Frustrantemente, os qubits podem se emaranhar com praticamente qualquer coisa em seu ambiente, introduzindo erros. Quanto mais delicado for o estado indefinido de um qubit (ou quanto mais caos houver em seu ambiente), maior será o risco de ele perder essa coerência.

Melhorar a coerência até o ponto de viabilidade é provavelmente uma abordagem multitática para eliminar um obstáculo significativo no caminho de um computador quântico funcional – cada bit faz a diferença.

“Mesmo se você mantiver todos os átomos sob controle rígido, eles podem perder seu quantum conversando com seu ambiente, aquecendo ou interagindo com coisas de maneiras que você não planejou”, explicou Dumitrescu.

“Na prática, os dispositivos experimentais têm muitas fontes de erro que podem degradar a coerência após apenas alguns pulsos de laser.”

Impor uma simetria pode ser um meio de proteger os qubits da decoerência. Ao girar um quadrado plano em noventa graus, ele ainda terá efetivamente a mesma forma. Essa simetria o protege de certos efeitos rotacionais.

Mexer com qubits com pulsos de laser uniformemente espaçados garante que haja uma simetria baseada não no espaço, mas no tempo. Dumitrescu e seus colegas queriam saber se poderiam aumentar esse efeito adicionando, não periodicidade simétrica, mas quase-periodicidade assimétrica.

Isso, eles teorizaram, acrescentaria não uma simetria temporal, mas duas; uma efetivamente enfiada dentro da outra.

A ideia foi baseada em um trabalho anterior da equipe que propôs a criação de algo chamado quasicristal do tempo, em vez do espaço. Onde um cristal é feito de uma rede simétrica de átomos que se repete no espaço, como uma rede de quadrados ou um favo de mel, o padrão de átomos em um quasicristal é não repetitivo, como um mosaico de Penrose, mas ainda ordenado.

A equipe conduziu seu experimento em um computador quântico comercial de ponta projetado pela Quantinuum, uma empresa de computação quântica. Esse carinha emprega para seus qubits 10 átomos de itérbio (um dos elementos de escolha para relógios atômicos). Esses átomos são mantidos em uma armadilha de íons elétrica, a partir da qual pulsos de laser podem ser empregados para controlá-los ou medi-los.

Dumitrescu e colegas criaram uma sequência de pulsos de laser com base nos números de Fibonacci, onde cada segmento é a soma dos dois segmentos anteriores. Isso resulta em uma sequência ordenada, mas não repetida, como um quasicristal.

Os quasicristais podem ser descritos matematicamente como segmentos de dimensões inferiores de reticulados de dimensões superiores. O mosaico de Penrose pode ser descrito como uma fatia bidimensional de um hipercubo de cinco dimensões.

Da mesma forma, os pulsos de laser da equipe podem ser descritos como uma representação unidimensional de um padrão bidimensional. Teoricamente, isso significava que poderia impor duas simetrias de tempo em qubits.

A equipe testou seu trabalho piscando lasers na matriz de qubits de itérbio, primeiro em uma sequência simétrica, depois quase-periodicamente. Eles então mediram a coerência dos dois qubits em cada extremidade da armadilha.

Na sequência periódica, os qubits ficaram estáveis ​​por 1,5 segundos. Na sequência quasiperiódica, eles permaneceram estáveis ​​por 5,5 segundos – a duração do experimento.

A simetria de tempo adicional, disseram os pesquisadores, acrescentou outra camada de proteção contra a decoerência quântica.

“Com esta sequência quase periódica, há uma evolução complexa que cancela todos os erros que vivem no limite”, disse Dumitrescu.

“Por causa disso, o limite permanece coerente de forma mecanicamente quântica por muito, muito mais tempo do que você esperaria.”

O trabalho não está perto de estar pronto para integração em computadores quânticos funcionais, mas representa um passo importante para esse objetivo, disseram os pesquisadores.

A pesquisa foi publicada na Nature.