Os físicos estão desenvolvendo simuladores quânticos, para ajudar a resolver problemas que estão além do alcance dos computadores convencionais. Contudo, eles primeiro precisam de novas ferramentas para garantir que os simuladores funcionem corretamente. Pesquisadores de Innsbruck em torno de Rainer Blatt e Christian Roos, junto com pesquisadores das Universidades de Ulm e Strathclyde, já implementaram uma nova técnica em laboratório que pode ser usada para caracterizar com eficiência os estados complexos de simuladores quânticos. A tecnica, chamada tomografia do estado do produto da matriz, poderia se tornar uma nova ferramenta padrão para caracterizar simuladores quânticos.

Muitos fenômenos no mundo quântico não podem ser investigados diretamente em laboratório, e até mesmo supercomputadores falham ao tentar simulá-los. Contudo, os cientistas agora são capazes de controlar vários sistemas quânticos em laboratório com muita precisão e esses sistemas podem ser usados ​​para simular outros sistemas quânticos. Tais simuladores quânticos são, portanto, considerados uma das primeiras aplicações concretas da segunda revolução quântica.

Contudo, a caracterização de grandes estados quânticos, que é necessário para orientar o desenvolvimento de simuladores quânticos em grande escala, prova ser difícil. O padrão ouro atual para caracterização do estado quântico em laboratório - tomografia do estado quântico - só é adequado para pequenos sistemas quânticos compostos de um punhado de partículas quânticas. Pesquisadores do Instituto de Física Experimental da Universidade de Innsbruck e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica da Academia Austríaca de Ciências estabeleceram agora um novo método em laboratório que pode ser usado para caracterizar com eficiência grandes estados quânticos.

Um esforço colaborativo

Em armadilhas de íons, átomos carregados (íons) são resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto e manipulados com o auxílio de lasers. Esses sistemas representam uma abordagem promissora para realizar simulações quânticas que podem ir além das capacidades dos supercomputadores modernos. Os físicos quânticos de Innsbruck estão entre os líderes mundiais neste campo e atualmente podem emaranhar 20 ou mais íons em suas armadilhas. A fim de caracterizar totalmente esses grandes sistemas quânticos, eles precisam de novos métodos. Por esta, teóricos em torno de Martin Plenio da Universidade de Ulm, Alemanha, veio em seu auxílio. Em 2010, a equipe do Plenio propôs um novo método para a caracterização de estados quânticos complexos, denominado tomografia de estado-produto-matriz. Usando este método, o estado de um grupo de partículas quânticas emaranhadas pode ser estimado com precisão sem que o esforço cresça dramaticamente à medida que o número de partículas no grupo aumenta. Em colaboração com as equipes de Martin Plenio de Ulm e Andrew Daley da University of Strathclyde na Escócia, os físicos experimentais de Innsbruck em torno de Christian Roos, Ben Lanyon e Christine Maier já implementaram este procedimento no laboratório.

Medições mais eficientes

Como um caso de teste, os físicos construíram um simulador quântico com até 14 bits quânticos (átomos), que foi primeiro preparado em um estado inicial simples sem correlações quânticas. Próximo, os pesquisadores entrelaçaram os átomos com luz laser e observaram a propagação dinâmica do emaranhamento no sistema. "Com o novo método, podemos determinar o estado quântico de todo o sistema medindo apenas uma pequena fração das propriedades do sistema, "diz o vencedor do prêmio START Ben Lanyon. Os teóricos em torno de Martin Plenio tiraram a caracterização do estado quântico global dos dados medidos:" O método é baseado no fato de que podemos teoricamente descrever bem o emaranhamento distribuído localmente e agora também podemos medi-lo no laboratório."

Quando o grupo de trabalho de Rainer Blatt percebeu o primeiro byte quântico em 2005, mais de 6, 000 medições foram necessárias para a caracterização do estado quântico, tomadas ao longo de um período de dez horas. O novo método requer apenas 27 medições para caracterizar o mesmo sistema de tamanho, assumido em torno de 10 minutos. "Pudemos mostrar que este método pode ser usado para identificar estados quânticos grandes e complexos de forma eficiente, "diz Christine Maier, um membro da equipe de Innsbruck. Agora, os cientistas querem desenvolver ainda mais os algoritmos para que também possam ser usados ​​de forma flexível por outros grupos de pesquisa.

Novo padrão ouro

O novo método permite a caracterização completa de sistemas contendo um grande número de partículas quânticas correlacionadas e, portanto, fornece uma opção de comparação para simulações quânticas. "Podemos usar a nova técnica para calibrar simuladores quânticos, comparando os estados que encontramos no laboratório com os esperados de cálculos analíticos, "explica Christian Roos." Então sabemos se o simulador faz o que queremos. "O novo método oferece aos médicos uma ferramenta para muitas aplicações e pode se tornar um novo padrão para simulações quânticas.