Resumo interno:
- Os pesquisadores enfrentam desafios na observação de fenômenos quânticos, já que o ruído das flutuações de temperatura tende a mascarar os efeitos quânticos em grande escala.
- As transições de fase de temperatura zero, impulsionadas inteiramente por fenômenos quânticos, oferecem uma oportunidade única para estudar estados críticos da matéria governados por emaranhamento quântico e correlação de longo alcance.
- Métodos clássicos, como redes tensores, se esforçam para modelar sistemas altamente emaranhados em torno de pontos críticos, o que torna os computadores quânticos importantes. No entanto, o hardware quântico atual permanece limitado na sua capacidade de simular sistemas grandes e complexos.
- Os pesquisadores da Quantinuum combinaram técnicas clássicas de rede tensor (MERA) com circuitos quânticos para simular estados críticos, alcançando alta fidelidade com apenas 20 qubits.
O desenvolvimento da tecnologia quântica parece vir acompanhado de inúmeros desafios relacionados à dificuldade de observação dos fenômenos quânticos. Embora a mecânica quântica seja o esqueleto do comportamento de toda a matéria, os seus efeitos são muitas vezes obscurecidos em escalas muito maiores pelo ruído. Uma fonte desse ruído, na verdade a ruína da existência na física quântica, é a flutuação da temperatura das partículas. Essa flexibilidade exige o uso de refrigerantes líquidos e temperaturas criogênicas em alguns sistemas qubit.
Embora o que precede possa causar lamentação devido ao tamanho macroscópico limitado do universo, por vezes o universo é sensível à forma como é usado no limite – uma pista na nossa busca para descobrir a natureza da lei da natureza. Uma pesquisa recente liderada pela Quantinuum e publicada na Physical Review Letters esclarece que, especificamente, as transições de fase de temperatura zero estão repletas de efeitos quânticos e a possibilidade de usar simulações quânticas para compreender melhor esses estados críticos da matéria. Seu trabalho fornece uma base para a compreensão de como as transições de fase de temperatura zero podem oferecer oportunidades e desafios para a computação quântica.
Mudanças de fase em baixa temperatura
As mudanças de fase que são mais óbvias para nós no nível macroscópico são causadas pelo calor – como o derretimento do gelo em água líquida ou a fervura da água em vapor. Essas mudanças dependem da presença de energia térmica. No entanto, no zero absoluto, onde a energia térmica está ausente, ainda podem ocorrer raros casos de transições de fase. Essas transições de fase de temperatura zero são inteiramente impulsionadas por fenômenos quânticos.
Estas mudanças são particularmente convincentes porque exibem um comportamento crítico, onde predominam os efeitos quânticos, levando a interações de longo alcance em todo o sistema. Ao contrário das mudanças de temperatura, a causa destas mudanças reside na penetração quântica. O estudo dessas mudanças fornece insights sobre a física básica, mas também destaca os desafios de modelá-las com métodos computacionais atuais.
O Desafio das Nações Críticas
Estados quânticos críticos, como aqueles próximos à transição de fase de temperatura zero, são definidos por seu emaranhamento de longo alcance. A simulação de tais sistemas requer a codificação das relações entre muitas partículas, uma tarefa que se torna mais complexa à medida que o tamanho do sistema aumenta. Embora os métodos clássicos, como as redes de tensores, possam lidar com sistemas de ordem inferior, eles lutam com sistemas críticos onde o emaranhamento abrange toda a rede, tornando o computador quântico um excelente candidato. Mas, antes de comemorar, é importante notar que a complexidade da modelação destas mudanças revela-se um desafio para os sistemas quânticos do estado atual, que são limitados no tamanho dos sistemas que podem representar de forma fiável.
Para compreender a complexidade de modelar tal transição num computador quântico, pense na multiplicidade de pontos que constituem uma teia tridimensional. Em cada interseção da teia está uma partícula, que pode se mover ou interagir, e cada partícula é caracterizada por seus graus de liberdade – seus possíveis estados no tempo e no espaço. Agora, imagine congelar o sistema por um segundo para focar em como essas partículas estão conectadas.
Pense na teia como flexível e inquebrável, onde um puxão suave em um ponto causa um efeito instável, onde todos os outros pontos ajustam sua posição em resposta. Esta conexão mostra o fenômeno quântico do emaranhamento, onde o estado de uma partícula está conectado ao estado de outras.
No sistema quântico, isto significa que nenhuma partícula pode ser totalmente compreendida isoladamente; pelo contrário, o seu comportamento reflecte a natureza colectiva de todo o sistema. Codificar e simular esse nível de coordenação em um computador quântico envolve não apenas rastrear o estado de cada partícula, mas também manter uma rede complexa de relacionamentos interconectados – uma tarefa que se torna mais complexa à medida que o sistema é dimensionado.
Isto é problemático considerando as limitações de hardware do ambiente atual. Uma equipe de pesquisadores da Quantinuum aceitou esse desafio usando uma abordagem híbrida que combina ferramentas clássicas e quânticas para simular o modelo dinâmico de Ising, um sistema bem estudado que apresenta importância quântica.
Os pesquisadores usaram o Multiscale Entanglement Renormalization Ansatz (MERA), um método de rede tensorial, para representar programaticamente o emaranhamento em seu sistema. Esta estrutura foi traduzida em um circuito quântico para simular o estado crítico do modelo de Ising de campo transversal com alta fidelidade usando apenas 20 qubits. Ao combinar a otimização clássica de redes tensores com hardware quântico, a equipe conseguiu extrair características importantes do sistema, como o decaimento da correlação próximo ao ponto crítico.
Da Complexidade Quântica ao Insight Tecnológico
Simular transições de fase de temperatura zero é mais do que uma tarefa acadêmica. Esses estados fornecem informações sobre fenômenos quânticos fundamentais que, por sua vez, fornecem informações sobre o desenvolvimento da tecnologia quântica. A pesquisa mostra que, apesar das limitações do hardware atual, novos métodos como o MERA podem preencher a lacuna entre as capacidades clássicas e quânticas. À medida que os processadores quânticos melhoram, também melhora a nossa capacidade de simular e compreender esses sistemas complexos. Por enquanto, a colaboração entre instrumentos clássicos e quânticos serve como um lembrete do esforço colaborativo necessário para concretizar todo o potencial da tecnologia quântica.
Os autores que participaram deste estudo incluem Reza Haghshenas, Eli Chertkov, Matthew DeCross, Thomas M. Gatterman, Justin A. Gerber, Kevin Gilmore, Dan Gresh, Nathan Hewitt, Chandler V. Horst, Mitchell Matheny,
Tanner Mengle, Brian Neyenhuis, David Hayes e Michael Foss-Feig.
