As regras da mecânica quântica descrevem como os átomos e as moléculas agem de maneira muito diferente do mundo ao nosso redor. Os cientistas fizeram progressos no sentido de desvendar essas regras - essenciais para encontrar maneiras de fazer novas moléculas e tecnologia melhor - mas algumas são tão complexas que escapam à verificação experimental.

Com o advento dos computadores quânticos de acesso aberto, cientistas da Universidade de Chicago viram uma oportunidade de fazer um experimento muito incomum para testar alguns desses princípios quânticos. Seu estudo, que apareceu em 31 de janeiro em Nature Communications Physics , essencialmente sequestra um computador quântico para descobrir verdades fundamentais sobre o comportamento quântico dos elétrons nas moléculas.

"A computação quântica é um domínio realmente empolgante para explorar questões fundamentais. Ela nos permite observar aspectos da teoria quântica que são absolutamente intocáveis ​​com os computadores clássicos, "disse o Prof. David Mazziotti, professor de química e autor do artigo.

Uma regra particular da mecânica quântica, chamado de princípio de exclusão de Pauli, é que dois elétrons não podem ocupar a mesma posição no espaço ao mesmo tempo. Em muitos casos, os elétrons de uma molécula sofrem restrições adicionais em suas localizações; essas são conhecidas como restrições generalizadas de Pauli. "Essas regras informam a maneira como todas as moléculas e matéria se formam, "disse Mazziotti.

Neste estudo, Mazziotti, O Prof. David Shuster e o estudante de graduação Scott Smart criaram um conjunto de algoritmos que pediriam ao computador Q Experience da IBM para gerar aleatoriamente estados quânticos em sistemas de três elétrons, e então meça onde os elétrons estão provavelmente localizados.

"Suponha que as restrições generalizadas de Pauli não fossem verdadeiras:nesse cenário, cerca de metade dos estados quânticos exibiriam uma violação, "disse Smart, o primeiro autor no artigo. Em vez de, nos muitos estados quânticos formados, eles descobriram que as violações das restrições generalizadas de Pauli ocorriam muito raramente em um padrão consistente com o ruído no circuito quântico.

Os resultados fornecem uma forte verificação experimental, disseram os cientistas.

"As restrições Pauli generalizadas mais simples foram descobertas teoricamente em um computador clássico da IBM no início dos anos 1970, portanto, é adequado que, pela primeira vez, eles sejam verificados experimentalmente em um computador quântico IBM, "Mazziotti disse.

A descoberta é outro avanço na fronteira dos esforços quânticos da Universidade; esforços recentes incluíram um "teletransportador quântico de três laboratórios, "passos em direção a sensores quânticos mais poderosos, e uma colaboração para desenvolver algoritmos para computadores quânticos emergentes.

Uma questão em aberto é como as restrições generalizadas de Pauli podem ser úteis para melhorar a tecnologia quântica. "Eles contribuirão potencialmente para a obtenção de cálculos quânticos mais eficientes, bem como melhores esquemas de correção de erros - essenciais para que os computadores quânticos atinjam todo o seu potencial, "Mazziotti disse.