O poder de processamento computacional dos bits quânticos (qubits) está prestes a causar impactos profundos em diversos campos da ciência e da engenharia. A imagem é uma fotografia de um chip supercondutor (área de todo o chip:1 cm2) consistindo de 9 qubits em uma matriz 1-D. Os pulsos de microondas são aplicados para controlar os estados dos qubits e sua interação e controlar a dinâmica no sistema. Esses sistemas supercondutores baseados em junções Josephson são uma implementação física líder para computação quântica e processamento de simulação. Crédito:Erik Lucero, Google
Simuladores quânticos, que são computadores quânticos de propósito especial, ajudará os pesquisadores a identificar materiais com propriedades novas e úteis. Este futuro atraente acaba de dar um passo à frente graças a uma colaboração entre o Google e pesquisadores de universidades na Califórnia, Cingapura e Grécia.
A equipe internacional usou fótons no chip quântico do Google para simular o surpreendente e belo padrão da 'borboleta Hofstadter', uma estrutura fractal que caracteriza o comportamento dos elétrons em campos magnéticos fortes. Os resultados, publicado em 1 de dezembro em Ciência , mostram como os simuladores quânticos estão começando a cumprir sua promessa de ferramentas poderosas.
"Sempre tivemos a ideia de que podemos usar fótons para simular e entender melhor a natureza. Nossa colaboração coloca isso em prática, "diz Dimitris Angelakis do Center for Quantum Technologies, Universidade Nacional de Singapura.
A façanha foi realizada na cadeia de nove bits quânticos supercondutores (qubits) do Google por colaboradores do Google e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos Estados Unidos, a Universidade Nacional de Cingapura e a Universidade Técnica de Creta, Grécia. Ele mostra como um simulador quântico pode reproduzir todos os tipos de comportamento quântico complexo exótico. Isso permitirá que os pesquisadores simulem - e, portanto, projetem - materiais com propriedades exóticas de condução eletrônica, potencialmente abrindo uma gama de novos aplicativos.
O poder de processamento computacional dos bits quânticos (qubits) está prestes a causar impactos profundos em diversos campos da ciência e da engenharia. Usando 9 qubits supercondutores, pesquisadores do Google e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, a Universidade Nacional de Cingapura e a Universidade Técnica de Creta, foram capazes de simular o intrincado espectro de energia previsto para elétrons 2-D em um campo magnético, a borboleta Hofstadter. Este gráfico é baseado em dados experimentais. Crédito:Visual Science / Google
"Com chips semelhantes ao usado neste experimento, estamos interessados em estudar problemas no cerne da matéria condensada, mecânica estatística, e dinâmica de não equilíbrio, "diz Pedram Roushan do Google, um engenheiro de eletrônica quântica.
A borboleta de Hofstadter apareceu pela primeira vez em 1976, em cálculos de elétrons em um material bidimensional em um forte campo magnético. A borboleta mapeia as divisões e mudanças dos níveis de energia do elétron com as mudanças na força do campo. Nesta simulação quântica, os fótons assumiram o papel de elétrons, enquanto as portas nos qubits forneciam um análogo do campo magnético. O padrão de borboleta emergiu das medições da equipe.
O experimento contou com a invenção da equipe de uma nova técnica de espectroscopia que eles apelidaram de "bater e ouvir". A técnica mapeia os níveis de energia das partículas de luz, fótons de microondas, armazenado nos nove qubits.
"Nosso método é como bater um sino. O som que ele faz é uma superposição de todos os harmônicos básicos. Ao tocá-lo em posições diferentes algumas vezes e ouvir a melodia por tempo suficiente, pode-se resolver os harmônicos ocultos. Fazemos o mesmo com o chip quântico, atingindo-o com fótons e, em seguida, seguindo sua evolução no tempo, "explica Angelakis. A equipe viu a borboleta acertando os qubits com um fóton de cada vez.
O poder de processamento computacional dos bits quânticos (qubits) está prestes a causar impactos profundos em diversos campos da ciência e da engenharia. Usando 9 qubits supercondutores, pesquisadores do Google e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, a Universidade Nacional de Cingapura e a Universidade Técnica de Creta, foram capazes de simular o intrincado espectro de energia previsto para elétrons 2-D em um campo magnético, a borboleta Hofstadter. Este gráfico é baseado em dados experimentais. Crédito:Visual Science / Google
A equipe também atingiu os qubits com dois fótons simultaneamente, e tornou os qubits desordenados - programando alguma aleatoriedade em suas propriedades - a fim de estudar o fenômeno complexo conhecido como 'localização de muitos corpos'. Esta é uma transição de fase quântica, semelhante à mudança de fase que acontece quando a água congela em gelo, que determina se os materiais são condutores ou isolantes. A equipe encontrou precursores da localização de muitos corpos aplicando sua técnica de "bater e ouvir" a diferentes regimes de desordem e interação.
Lidar com esse tipo de fenômeno pode fornecer outra rota para projetar novos materiais úteis com propriedades de condução exóticas. Contudo, os físicos em geral lutam para simular esses cenários complexos. Foi previsto na década de 1950 que a desordem em um material poderia bloquear o movimento dos elétrons através dele. Isso se chama localização. Mas se as partículas podem interagir umas com as outras, o problema se torna 'muitos corpos' - e muito mais difícil de modelar.
Por apenas dois fótons em nove qubits, a equipe pode simular em computadores convencionais qual comportamento esperar, encontrando boa concordância com seus resultados experimentais. Mas adicione apenas mais alguns qubits e o problema se torna intratável para máquinas clássicas.
Isso torna a perspectiva de simuladores quânticos maiores atraente para os cientistas - eles podem resolver problemas além do alcance dos supercomputadores de hoje.
"Entender as fases quânticas ainda é um dos mistérios não resolvidos da física", diz Roushan.
