Nanotecnologia

Simulador quântico vira realidade e vê matéria surgir do vácuo

Primeira simulação quântica de um evento quântico real
O chip de 4 qubits foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica, quando partículas e antipartículas emergem virtualmente "do nada" - do chamado vácuo quântico.[Imagem: IQOQI/Harald Ritsch]

Simulador quântico

Estamos muito longe de compreender totalmente as partículas elementares - os átomos e seus constituintes - porque elas se comportam segundo as leis da mecânica quântica, apresentando comportamentos probabilísticos que são muito difíceis de monitorar.

Se não dá para monitorar ao vivo, a saída é simulá-las em computador. Contudo, como as partículas não obedecem às leis da física clássica, simular seu comportamento em um computador clássico é uma tarefa virtualmente impossível - tente descrever todos os resultados possíveis da interação de apenas duas dessas partículas, por exemplo, e os maiores supercomputadores colocarão a língua de fora muito antes de dar qualquer resultado útil.

A saída então é construir simuladores quânticos, que vão rodar em computadores quânticos, capazes de imitar qualquer comportamento das partículas subatômicas porque seus componentes básicos funcionam com base no mesmo princípio. A ideia é ótima, e os físicos vêm trabalhando nela há algum, aperfeiçoando aos poucos os experimentos, aproximando-se passo a passo de um simulador quântico prático.

Agora eles conseguiram, executando a primeira simulação de um evento quântico real usando um simulador quântico.

Matéria e antimatéria surgem do vácuo

O primeiro grande sucesso na construção e uso prático de um simulador quântico foi anunciado por Esteban Martinez e uma equipe de físicos da Universidade de Innsbruck, na Áustria: em um experimento inédito e histórico, eles simularam partículas quânticas usando um processador quântico básico, com apenas 4 qubits.

A simulação mostrou como pares de partículas e antipartículas emergem do vácuo quântico.

"Nós desenvolvemos agora um novo conceito que nos permite simular a criação espontânea de pares elétron-pósitron a partir do vácuo usando um computador quântico," disse Christine Muschik, membro da equipe - os pósitrons são os equivalentes de antimatéria do elétron.

O processador quântico é composto por quatro íons de cálcio aprisionados eletromagneticamente e controlados por pulsos de laser.

"Cada par de íons representa um par de uma partícula e uma antipartícula," explicou Martinez. "Nós usamos pulsos de laser para simular o campo eletromagnético do vácuo. Então pudemos observar como pares de partículas são criadas por flutuações quânticas de energia desse campo. Observando a fluorescência do íon, nós vemos se as partículas e antipartículas foram criadas. Podemos modificar os parâmetros do sistema quântico, o que nos permite observar e estudar o processo dinâmico da criação do par."

Isto confirma grande parte das expectativas quanto aos simuladores quânticos. Embora computadores quânticos de pleno direito vão exigir muitos mais qubits, mesmo os primeiros processadores que já estão sendo construídos serão de fato extremamente úteis nas pesquisas fundamentais da física. Afinal, um sistema simples, com apenas quatro bits, foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica, quando partículas e antipartículas fugazes emergem virtualmente "do nada" - do chamado vácuo quântico.

Primeira simulação quântica de um evento quântico real
As partículas (elétrons) e antipartículas (pósitrons) são "sentidas" pelos quatro qubits do simulador, que denunciam sua presença por meio de variações no feixe de laser. [Imagem: Esteban A. Martinez et al. - 10.1038/nature18318]

Combinando diferentes campos da física

Esta demonstração também estabelece uma ponte entre dois campos da física: um experimento de física atômica foi usado para estudar questões da física de alta energia. Enquanto milhares de físicos trabalham nas teorias de alta complexidade do Modelo Padrão e os experimentos propostos são executados em laboratórios grandes e caros, como o LHC, simulações quânticas podem ser realizadas em laboratórios pequenos, em experimentos de mesa.

"Estas duas abordagens se complementam perfeitamente," disse o professor Peter Zoller, um dos pioneiros no campo dos simuladores quânticos. "Não podemos substituir os experimentos que são feitos com aceleradores de partículas. No entanto, com o desenvolvimento dos simuladores quânticos poderemos ser capazes de compreender melhor essas experiências no futuro."

Seu colega Rainer Blatt acrescenta: "Além disso, podemos estudar novos processos utilizando a simulação quântica. Por exemplo, em nosso experimento também investigamos o entrelaçamento de partículas produzidas durante a criação do par, o que não é possível em um acelerador de partículas."

A equipe diz estar convencida de que os futuros simuladores quânticos, maiores e mais poderosos, serão capazes de resolver questões importantes na física de alta energia que não podem ser resolvidos pelos métodos convencionais ou simplesmente construindo aceleradores e colisores maiores.

Bibliografia:

Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer
Esteban A. Martinez, Christine A. Muschik, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Alexander Erhard, Markus Heyl, Philipp Hauke, Marcello Dalmonte, Thomas Monz, Peter Zoller, Rainer Blatt
Nature
Vol.: 534, 516-519
DOI: 10.1038/nature18318
https://arxiv.org/abs/1605.04570




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