Uma equipe de físicos do ICTP-Trieste e IQOQI-Innsbruck teve uma ideia surpreendentemente simples para investigar o emaranhamento quântico de muitas partículas. Em vez de se aprofundar nas propriedades das funções de onda quântica, que são notoriamente difíceis de acessar experimentalmente, eles se propõem a realizar sistemas físicos governados pelos correspondentes hamiltonianos de emaranhamento. Ao fazê-lo, as propriedades de emaranhamento do problema original de interesse tornam-se acessíveis por meio de ferramentas bem estabelecidas.

O emaranhamento quântico forma o coração da segunda revolução quântica:é uma característica-chave usada para entender as formas da matéria quântica, e um recurso chave para tecnologias quânticas presentes e futuras. Fisicamente, partículas emaranhadas não podem ser descritas como partículas individuais com estados definidos, mas apenas como um único sistema. Mesmo quando as partículas são separadas por uma grande distância, mudanças em uma partícula também afetam instantaneamente a (s) outra (s) partícula (s). O emaranhamento de partículas individuais - sejam fótons, átomos ou moléculas - faz parte da vida cotidiana no laboratório hoje. Na física de muitos corpos, seguindo o trabalho pioneiro de Li e Haldane, emaranhamento é tipicamente caracterizado pelo chamado espectro de emaranhamento:é capaz de capturar características essenciais de fenômenos quânticos coletivos, como ordem topológica, e ao mesmo tempo, permite quantificar a 'quanticidade' de um determinado estado, isto é, quão desafiador é simplesmente escrevê-lo em um computador clássico.

Apesar de sua importância, os métodos experimentais para medir o espectro de emaranhamento atingem rapidamente seus limites - até hoje, esses espectros foram medidos apenas em alguns sistemas de qubits. Com um número crescente de partículas, esse esforço se torna inútil à medida que a complexidade das técnicas atuais aumenta exponencialmente.

"Hoje, é muito difícil realizar um experimento além de poucas partículas que nos permite fazer afirmações concretas sobre espectros de emaranhamento, "explica Marcello Dalmonte do Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) em Trieste, Itália. Junto com Peter Zoller e Benoît Vermersch na Universidade de Innsbruck, ele agora encontrou uma maneira surpreendentemente simples de investigar diretamente o emaranhamento quântico. Os físicos viram o conceito de simulação quântica de cabeça para baixo ao não mais simular um determinado sistema físico no simulador quântico, mas simula diretamente seu operador hamiltoniano de emaranhamento, cujo espectro de excitações se relaciona imediatamente com o espectro de emaranhamento.

"Em vez de simular um problema quântico específico em laboratório e depois tentar medir as propriedades de emaranhamento, propomos simplesmente virar a mesa e realizar diretamente o hamiltoniano de emaranhamento correspondente, que dá acesso imediato e simples às propriedades de emaranhamento, como o espectro de emaranhamento, "explica Marcello Dalmonte." Sondar este operador no laboratório é conceitual e praticamente tão fácil quanto sondar espectros convencionais de muitos corpos, uma rotina de laboratório bem estabelecida. "

Além disso, dificilmente há limites para este método no que diz respeito ao tamanho do sistema quântico. Isso também pode permitir a investigação de espectros de emaranhamento em sistemas de muitas partículas, que é notoriamente desafiador de abordar com computadores clássicos. Dalmonte, Vermersch e Zoller descrevem o método radicalmente novo em um artigo atual em Física da Natureza e demonstrar sua realização concreta em uma série de plataformas experimentais, como sistemas atômicos, íons aprisionados e também sistemas de estado sólido baseados em bits quânticos supercondutores.