Dentro brevemente:
- Pesquisadores da Universidade Autônoma de Madrid estão usando computadores quânticos digitais para simular a criação de partículas no universo em expansão.
- Este trabalho enfoca como os campos quânticos, previstos pela Teoria Quântica de Campos no Espaço-Tempo Curvo, respondem à expansão do universo, resultando na produção de partículas.
- A equipe construiu um circuito quântico para simular um campo quântico escalar, usando hardware IBM e técnicas de redução de erros para superar o ruído, permitindo-lhes estimar a criação da partícula.
- Ao simular este processo nos sistemas quânticos da IBM, os pesquisadores mostraram que os computadores quânticos podem sondar com sucesso objetos cosmológicos complexos, fornecendo informações importantes sobre o comportamento do campo quântico em espaços-tempos dinâmicos.
Simular o comportamento de partículas em um universo em constante expansão não é uma tarefa fácil. A mecânica quântica e a relatividade geral não se conectam facilmente quando se trata de prever como os campos quânticos se comportam no espaço-tempo dinâmico. No entanto, investigadores da Universidade Autónoma de Madrid encontraram uma forma de analisar melhor este problema através da utilização de computadores quânticos digitais. Num artigo publicado recentemente no arXiv, eles mostram como os computadores quânticos podem simular a formação de partículas num universo curvo e em expansão – ultrapassando os limites da computação quântica e da cosmologia. O trabalho, realizado em sistemas quânticos IBM, fornece uma nova maneira de testar a Teoria Quântica de Campos no Espaço-Tempo Curvo (QFTCS), uma estrutura que busca explicar como os campos quânticos interagem com a gravidade.
O Campo Quântico no Mundo Dinâmico
Basicamente, esta pesquisa se concentra em como as partículas podem se formar quando o próprio espaço-tempo se expande. Este tipo de criação de partículas é previsto pela Teoria Quântica de Campos no Espaço-Tempo Curvo, uma teoria que sugere que os campos quânticos, quando colocados em um fundo de gravidade curvo ou distorcido, se comportam de maneira estranha. Conforme observado no estudo, acredita-se que esse comportamento desempenhe um papel em tudo, desde a inflação inicial do universo até a radiação emitida por buracos negros, como os raios Hawking.
Em termos simples, a ideia é que quando a estrutura do espaço-tempo muda – como quando o universo se expande – os campos quânticos respondem a esta mudança, por vezes produzindo novas partículas. Esta pesquisa tenta simular esse processo complexo usando computadores quânticos digitais, fornecendo uma nova maneira de explorar fenômenos cosmológicos em um estado quântico controlado.
Construindo um Circuito Quântico: Modelando o Universo em Expansão
Os pesquisadores criaram um circuito quântico para modelar o comportamento de um campo quântico escalar – na verdade, um tipo de campo quântico caracterizado por sua forma mais simples de oscilações. Eles se concentram em uma situação particular: o universo passando por um rápido período de expansão (ou inflação) antes de retornar a um estado estacionário. O campo quântico foi simulado para vibrar em duas direções, representando os possíveis estados do campo, e os pesquisadores acompanharam a criação de partículas à medida que o espaço-tempo se expandia.
Essas simulações são realizadas tanto em um ambiente quântico virtual quanto em hardware quântico real da IBM. Usando técnicas de redução de erros encontradas em máquinas NISQ, os pesquisadores conseguiram extrair resultados significativos mesmo na presença de ruído – uma grande limitação dos computadores quânticos atuais.
Neste estudo, um circuito composto por centenas de portas quânticas (os blocos de construção da matemática quântica) foi construído para simular a evolução do campo quântico ao longo do tempo. Apesar do ruído significativo que se acumula ao usar circuitos tão grandes nos dispositivos quânticos atuais, o uso de um método chamado extrapolação de ruído zero permitiu à equipe estimar o número de partículas criadas durante a simulação.
Desvendando a matemática: como a expansão do espaço-tempo cria partículas
A base desta simulação, conforme explicado pela equipe, é um modelo cosmológico bem conhecido que descreve o universo como uma expansão uniforme ao longo do tempo. Os pesquisadores mediram como o campo quântico, inicialmente em estado de vácuo (o que significa que não existem partículas), responde a essa expansão. À medida que o espaço-tempo se expande, as oscilações do campo convergem num processo que cria partículas onde antes não existiam. Este fenômeno é captado pela mudança relativa no comportamento do campo antes e depois da expansão do universo, mostrando como as vibrações em diferentes momentos ficam aprisionadas, levando à criação de partículas.
Para entender quantas partículas são produzidas, os pesquisadores usaram uma ferramenta matemática chamada transformação de Bogoliubov. Este método descreve como o estado de vácuo do campo muda para um estado onde as partículas podem ser detectadas. À medida que a taxa de expansão aumenta, mais partículas são produzidas, consistente com as previsões da teoria quântica de campos. Usando esta simulação em computadores quânticos da IBM, a equipe conseguiu medir o número de partículas criadas e observar como o campo quântico se comporta durante a expansão do universo, proporcionando uma nova maneira de explorar fenômenos cosmológicos complexos.
Insights de simulações quânticas
Segundo o grupo, um resultado significativo do estudo foi a capacidade de medir o número de partículas criadas em função da taxa de expansão do universo. Usando seu circuito quântico em simuladores e no processador quântico Eagle de 127 qubit da IBM, os pesquisadores demonstraram que podem simular com sucesso a criação de uma partícula no contexto do universo. Embora os resultados fossem ruidosos – especialmente os baixos valores de elasticidade – as técnicas de redução de erros utilizadas ajudaram a aproximar os resultados das previsões teóricas.
O estudo também considerou a confiabilidade do estado quântico – na verdade, o quão próximo o estado simulado estava do estado teórico ideal. Apesar do ruído e das imperfeições no hardware quântico, o uso da redução de erros melhorou muito a confiabilidade, mostrando que os dispositivos da era NISQ ainda podem fornecer insights úteis sobre sistemas físicos complexos.
O futuro da computação quântica e dos experimentos cosmológicos
A simulação de campos quânticos em tempo curvo é importante porque nos permite explorar condições que são quase impossíveis de recriar em laboratório. Pense nisso como uma janela para o universo primitivo ou para as condições extremas em torno dos buracos negros – os lugares e tempos onde as leis da mecânica quântica e da relatividade geral entram em ação.
Além disso, este estudo mostra que mesmo os ruidosos computadores quânticos de hoje podem ser usados para testar conceitos teóricos de alto nível, como a formação de partículas em espaços-tempos em expansão. Embora a equipe tenha deixado claro que ainda estamos muito longe de simulações quânticas completas, estudos como esses continuam a demonstrar o papel das simulações quânticas digitais no fornecimento de novos insights sobre a natureza fundamental do universo.
Os autores envolvidos no estudo são Marco Maceda e Carlos Sabín.
