Resumo interno:
- Pesquisadores da UConn, Google Quantum AI e NORDITA mediram os efeitos do desvio para o vermelho da gravidade em qubits transmon, revelando como a gravidade influencia os níveis de energia em sistemas quânticos e cria um canal que amortece o universo.
- O estudo modelou os efeitos da gravidade em matrizes qubit alinhadas verticalmente, como o chip Sycamore do Google, mostrando que, embora não seja ideal para qubits individuais, o efeito é mensurável em escala.
- A equipe desenvolveu um protocolo de medição de alta precisão para detectar mudanças de fase gravitacional, apresentando desafios para a compatibilidade de qubits, mas também oportunidades para aplicações avançadas de sensores de gravidade.
- O hardware de computador atual não consegue detectar esses efeitos devido a limitações de sensibilidade, mas a pesquisa estabelece a base teórica para futuras validações e inovações, como sistemas de navegação sem GPS.
A menção da gravidade e do quantum na mesma frase muitas vezes deixa os físicos desconfortáveis, mas os efeitos da gravidade nos sistemas de informação quântica não podem ser ignorados. Em uma colaboração recém-anunciada entre a Universidade de Connecticut, o Google Quantum AI e o Instituto Nórdico de Física Teórica (NORDITA), os pesquisadores exploraram a interação desses dois domínios, calculando os efeitos não triviais da gravidade em qubits transmon. Seus resultados, publicados na Physical Review A, explicam como a gravidade afeta sutilmente, mas dramaticamente, o hardware da computação quântica, com implicações tanto para a computação quanto para a detecção.
O puxão silencioso da gravidade em Qubits
Liderada por Alexander Balatsky da Quantum Initiative da UConn, juntamente com os pesquisadores do Google Pedram Roushan e os pesquisadores da NORDITA Patrick Wong e Joris Schaltegger, a pesquisa se concentra no desvio para o vermelho gravitacional. Este fenômeno reduz ligeiramente os níveis de energia dos qubits com base na sua posição no campo gravitacional. Embora pequeno para um único qubit, esse efeito é mensurável quando medido.
Embora os computadores quânticos possam ser efetivamente protegidos da radiação eletromagnética, exceto quaisquer dispositivos antigravíticos que se estendam o suficiente para conter um computador quântico, a tecnologia quântica atualmente não está imune aos efeitos da gravidade. A equipe mostrou que a interação gravitacional cria um canal repulsivo no universo, perturbando a coerência necessária para a mecânica quântica. No entanto, esta mesma conexão também pode ser usada para desenvolver sensores de gravidade altamente sensíveis.
Em um artigo recente da UConn Today, Balatsky observa: “Nossa pesquisa revela que qubits bem ajustados, projetados para processar informações, podem atuar como sensores precisos – tão sensíveis, na verdade, que chips quânticos podem funcionar como sensores de gravidade. em tecnologia quântica.”
Metodologia e resultados principais
Para testar esses resultados, os pesquisadores mediram o efeito do desvio para o vermelho gravitacional na distribuição do nível de energia dos qubits transmon. O desvio para o vermelho gravitacional, um fenômeno previsto pela teoria geral da relatividade de Einstein, ocorre quando a luz ou as ondas eletromagnéticas de um objeto massivo perdem energia e mudam para comprimentos de onda mais longos. Isso acontece porque a gravidade altera o fluxo do tempo, fazendo com que os relógios mais próximos de um objeto maior funcionem mais lentamente do que aqueles que estão mais distantes.
Historicamente, o desvio para o vermelho gravitacional tem desempenhado um papel importante na determinação da relatividade geral e é importante em tecnologias como o GPS, onde o tempo preciso causa a diferença na gravidade entre os satélites e a Terra. Neste estudo, os pesquisadores aplicaram esse conceito a qubits transmon, modelando como os efeitos gravitacionais mudam sutilmente seus estados de energia de acordo com seu comprimento no campo gravitacional.
Usando simulações computacionais e modelos teóricos, a equipe conseguiu quantificar essas mudanças no nível de energia. Embora os efeitos sejam significativos para qubits individuais, eles se tornam significativos quando medidos em matrizes de qubits colocadas em diferentes alturas em chips alinhados verticalmente, como o chip Sycamore do Google.
Os pesquisadores desenvolveram um protocolo baseado em medição de fase para medir essas mudanças com alta precisão. Ao introduzir variações controladas na gravidade em seus modelos, eles observaram efeitos reversíveis que variam de acordo com o tamanho do sistema e o número de qubits. Este canal de amortecimento global, causado por interações gravitacionais, oferece um desafio para manter a coerência do qubit e uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento de sensores de gravidade altamente sensíveis.
No entanto, este estudo destaca várias limitações. O hardware quântico atual não tem sensibilidade para detectar esses efeitos experimentalmente, pois a influência da gravidade é pequena em comparação com outras fontes de ruído. Além disso, alcançar a precisão necessária para a detecção da gravidade exigirá melhorias adicionais nos tempos de coerência do qubit e nos métodos de correção de erros. Apesar destes desafios, o quadro teórico desenvolvido pela equipa fornece uma base sólida para futuras validações experimentais.
Implicações da tecnologia quântica
As implicações dessas descobertas vão além do interesse teórico. À medida que os sistemas quânticos aumentam em escala e complexidade, a compreensão dos efeitos da gravidade será crítica para a redução eficaz dos erros. Além disso, a capacidade de utilizar estes resultados para aplicações de detecção pode ter implicações em campos como a navegação, onde sistemas não-GPS podem contar com dispositivos quânticos desenvolvidos para sensibilidade à gravidade.
O estudo apresenta um protocolo de medição para detectar mudanças de fase de gravidade com notável precisão. Ao medir essas mudanças, a equipe introduziu o conceito de estruturas qubit especiais projetadas para melhorar a sensibilidade, permitindo sensores quânticos que podem detectar mudanças mínimas na aceleração da gravidade.
Física Básica e Aplicações Práticas
Embora a influência da gravidade nos sistemas quânticos seja frequentemente considerada insignificante perto do solo, este estudo mostra que tais suposições podem limitar a nossa compreensão do hardware quântico. A pesquisa combina o abstrato e o aplicado, mostrando que os efeitos da gravidade, uma vez calculados, podem ser ao mesmo tempo um desafio e uma ferramenta para o desenvolvimento da tecnologia quântica. À medida que os físicos e engenheiros quânticos continuam a lidar com as realidades gémeas da precisão e da fragilidade, isto é um lembrete de que mesmo as forças fundamentais da natureza podem ser novos parceiros.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Alexander V. Balatsky, Pedram Roushan, Joris Schaltegger e Patrick J. Wong.
