Pesquisa intensiva está sendo realizada em simuladores quânticos:eles prometem calcular com precisão as propriedades de sistemas quânticos complexos, quando os supercomputadores convencionais e até falham. Em um projeto cooperativo, teóricos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching e do Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) desenvolveram agora uma nova caixa de ferramentas para simuladores quânticos e a publicaram em Avanços da Ciência . Ele usa o princípio de topologia vencedor do Prêmio Nobel para permitir bits quânticos, por exemplo átomos individuais, para se comunicarem uns com os outros por meio de "canais de rádio topológicos". Os "canais de rádio" são fornecidos por um campo de luz que viaja em guia de ondas de forma robusta com o auxílio da topologia. O conceito oferece espaço para ideias completamente novas, variando de pesquisa básica a informações quânticas.

"Como podemos fazer dois bits quânticos distantes 'falarem' um com o outro?" pergunta Alejandro González-Tudela. "Este é um desafio essencial no campo da informação quântica e simulação!" Até recentemente, o físico teórico era um pós-doutorando no departamento de Ignacio Cirac, diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, e hoje é investigador permanente do Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC de Madrid. Junto com Cirac e dois colegas espanhóis do Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid, ele agora publicou um artigo científico que apresenta uma caixa de ferramentas completamente nova para a fotônica. A fotônica é um ramo da física que trata da interação entre luz e matéria e sua aplicação técnica.

Uma aplicação possível é a chamada simulação quântica, que remonta a uma ideia do famoso ganhador do Prêmio Nobel dos Estados Unidos, Richard Feynman. Se alguém deseja calcular o comportamento de um sistema quântico com a maior precisão possível em um computador convencional, o poder de computação necessário dobra a cada nova partícula quântica no sistema. Por causa dessa avalanche matemática, mesmo sistemas quânticos relativamente pequenos, consistindo de apenas algumas dezenas de partículas, superam o desempenho até de supercomputadores convencionais. Por esta razão, Feynman teve a ideia, décadas atrás, de simular o comportamento de um sistema quântico com a ajuda de outro sistema quântico. Em princípio, tal simulador quântico é um computador quântico especializado cujos bits quânticos individuais podem ser facilmente controlados de fora - em contraste com o sistema quântico um tanto inacessível cujo comportamento ele supostamente simula.

Esses simuladores quânticos têm sido objeto de intensa pesquisa por muitos anos. Por exemplo, eles prometem fornecer uma melhor compreensão das propriedades dos materiais, como supercondutividade ou magnetismo complexo. Eles também desempenham um papel importante no Instituto em Garching. Por exemplo, um simulador pode consistir em uma nuvem de átomos ultracold aprisionados em uma rede espacial de luz laser. Se esses bits quânticos - ou qubits para abreviar - devem interagir uns com os outros, eles fazem isso trocando quanta de luz, fótons. Contudo, um átomo normalmente emite esse fóton em alguma direção aleatória. Seria muito mais eficiente para simulações quânticas se o qubit pudesse direcionar seu fóton diretamente para seu próximo ou próximo, exceto um vizinho.

Robust Photon Radio

González-Tudela e sua equipe desenvolveram agora um princípio teórico que permite esse "rádio de fótons" direcionado entre átomos. "Temos que embalar os qubits e fótons em um guia de ondas, "explica o teórico. No entanto, como você "conecta" um conjunto de átomos flutuando em uma grade de luz no espaço com tais guias de onda e os faz falar de maneira robusta? A resposta dos quatro teóricos é:com luz extremamente complicada.

O truque consiste essencialmente em transferir o conceito matemático de topologia da física do estado sólido para a fotônica. Na física do estado sólido, ele desencadeou um verdadeiro hype nos últimos anos porque pode produzir completamente novos, propriedades do material anteriormente desconhecidas. Em 2016, os três físicos britânicos David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz receberam o Prêmio Nobel de Física por introduzir com sucesso conceitos topológicos à física do estado sólido. Em princípio, a questão é quantos buracos um corpo geométrico tem. Uma xícara de café, por exemplo, tem um orifício em sua alça, assim como um anel de donut em seu centro, e, portanto, ambos têm o número topológico um. A consequência:de um ponto de vista puramente geométrico, o copo e o donut podem ser facilmente transformados um no outro. Por outro lado, resistência topológica violenta é encontrada quando um donut de um orifício é transformado em um pretzel de três orifícios.

Na física, esta regra do número de buracos tem como consequência que a topologia pode estabilizar enormemente certas propriedades físicas contra perturbações. E isso leva ao segundo maior desafio na informação quântica e, portanto, na simulação quântica:distúrbios onipresentes fazem com que a informação quântica altamente sensível decaia rapidamente.

"Essa chamada decoerência é o maior problema da informação quântica, "diz González-Tudela. As propriedades cativantes da topologia logo levaram mentes espertas à conclusão de que os bits quânticos sensíveis poderiam ser empacotados em sistemas físicos com tais propriedades topológicas. Isso está sendo pesquisado na física do estado sólido, por exemplo, e grandes empresas como a Microsoft também estão investindo pesadamente nessa pesquisa.

Caixa de Ferramentas Topológica

González-Tudela e seus três co-autores criaram agora uma caixa de ferramentas com a qual esses conceitos topológicos podem ser transferidos para a fotônica. Alguns sistemas, como átomos ultracold em grades de luz, já estão muito avançados em sua controlabilidade. Portanto, eles oferecem muitas possibilidades para simulação quântica. A caixa de ferramentas dos quatro teóricos abre um novo espaço para muitas ideias criativas. Simplificando, consiste em um conjunto de bits quânticos, por exemplo, átomos individuais dispostos em uma linha. Eles podem interagir com um sistema inteligente "banho de luz" linear que se comporta como o guia de ondas que os físicos teóricos estavam procurando.

Se alguém agora manipula os vários parafusos de ajuste do sistema, os bits quânticos podem trocar fótons conforme desejado por meio deste guia de ondas. Mas não só isso:por exemplo, um qubit pode enviar suas informações em uma direção, mas permanece completamente escuro na direção oposta. Essas interações são extremamente difíceis de serem produzidas no micro mundo dos átomos.

Assim, a caixa de ferramentas dos quatro teóricos oferece muitas novas possibilidades para permitir que os bits quânticos se comuniquem entre si. É exatamente disso que os futuros simuladores quânticos precisam. O conceito também é universal:também pode ser realizado em alguns sistemas quânticos compostos por muitos qubits que estão sendo pesquisados ​​atualmente. O novo trabalho dos quatro teóricos pode se tornar o núcleo para ideias completamente novas, variando de pesquisa básica pura a informações quânticas.