Os físicos desenvolveram um método de simulação quântica que pode "resfriar virtualmente" um sistema quântico experimental a uma fração de sua temperatura real. O método pode permitir o acesso a fenômenos de temperatura extremamente baixa, como formas incomuns de supercondutividade, que nunca foram observados antes. A simulação envolve a preparação de várias cópias do estado quântico do sistema, interferindo nos estados, e fazer medições em cada cópia, que no final das contas produz uma medição simulada no mesmo sistema em uma temperatura mais baixa.

A equipe de físicos, Jordan Cotler, da Stanford University e co-autores, publicou um artigo sobre o método de resfriamento virtual quântico em uma edição recente da Revisão Física X .

Como os pesquisadores explicaram, os resultados são baseados na ideia de que existe uma forte conexão entre a temperatura e o emaranhamento quântico.

"Uma perspectiva moderna da física é que a temperatura é uma propriedade emergente do emaranhamento quântico, "Cotler disse Phys.org . "Em outras palavras, certos padrões de emaranhamento quântico dão origem à noção familiar de temperatura. Manipulando propositadamente o padrão de emaranhamento em um sistema, podemos ter acesso a temperaturas mais baixas. Embora essas ideias notáveis ​​fossem previamente entendidas teoricamente, descobrimos como implementá-los experimentalmente. "

Futuras realizações experimentais da técnica de resfriamento virtual podem permitir aos pesquisadores medir a temperatura de maneiras aparentemente impossíveis.

"Podemos ser capazes de usar o resfriamento virtual quântico para 'cruzar' o que é chamado de transições de fase de temperatura finita, "Cotler disse." Isso parece bastante bizarro - seria como tomar dois copos de água líquida, e fazendo uma medição quântica, você aprende sobre as propriedades do gelo sólido. Notavelmente, isso parece possível em princípio, mas na prática, precisamos usar sistemas que sejam mais fáceis de controlar do que a água. Apesar disso, ainda podemos ser capazes de preparar um sistema em uma fase, e usar o resfriamento virtual quântico para sondar uma fase diferente que ocorre apenas em uma temperatura mais baixa. "

Como funciona

O método de resfriamento virtual é projetado para funcionar em um tipo de sistema chamado sistema quântico de muitos corpos fortemente correlacionado. Um exemplo de tal sistema é um sistema de átomos ultracold aprisionados por uma grade de lasers chamada de "rede óptica". Os átomos podem pular de um ponto de grade a outro e interagir uns com os outros. Teoricamente, prevê-se que sistemas quânticos de muitos corpos fortemente correlacionados, como átomos aprisionados em ultracold, revelem um comportamento interessante em temperaturas ultracold. Infelizmente, muitos dos fenômenos de baixa temperatura previstos nunca foram observados devido à dificuldade de resfriamento a tais temperaturas frias.

Uma abordagem desenvolvida recentemente para resfriamento é usar um simulador quântico - um sistema físico que consiste em átomos, fótons, pontos quânticos, ou algum outro objeto físico, que é usado para modelar outro sistema físico que não é tão bem compreendido. No simulador quântico apresentado no novo artigo, átomos em alguma temperatura acessível são usados ​​para modelar átomos em uma temperatura mais fria, temperatura tradicionalmente inacessível. Em outras palavras, um sistema quântico está sendo usado para simular um subconjunto de si mesmo em uma temperatura mais baixa. Devido às suas propriedades quânticas, simuladores quânticos podem realizar certas tarefas como esta que estão fora do alcance dos computadores clássicos, que não pode alavancar o emaranhamento e superposição quânticos.

Uma das principais coisas sobre o novo simulador é que não há nenhum resfriamento físico real envolvido. Em vez de, o resfriamento virtual é obtido pela interferência de muitos átomos, medindo esses átomos, e então processar os dados de medição. Para demonstrar, os físicos usaram o método para simular medições da densidade dos átomos no que é chamado de "Modelo de Bose-Hubbard, "que especifica certos tipos de interações entre os átomos. O procedimento básico envolve a preparação de duas ou mais cópias idênticas do estado quântico de muitos átomos em diferentes localizações físicas (aqui, as redes ópticas). Então o tunelamento quântico é induzido entre as cópias, o que permite interferência atômica entre eles. Finalmente, o número de átomos ocupando cada site é medido para cada site de rede, que é feito usando um microscópio quântico de gás.

Depois de repetir o procedimento várias vezes na temperatura real, e depois pegando a média, o método dá a densidade local de átomos a uma temperatura reduzida de T / n , Onde T é a temperatura real do sistema e n é o número de cópias usadas. Na demonstração inicial, os pesquisadores usaram duas cópias, que permitiu o acesso ao sistema na metade de sua temperatura original. Esses resultados experimentais corresponderam intimamente às previsões teóricas.

Embora o método teoricamente permita que o sistema seja virtualmente resfriado até seu estado fundamental, ou seja, o estado de temperatura zero, na prática, a quantidade de resfriamento é limitada pelas dificuldades de dimensionamento envolvidas na medição de várias cópias do sistema com precisão suficientemente alta. Ainda, devido ao fato de que nenhum resfriamento físico está envolvido, os pesquisadores esperam que o método de simulação possa ser usado para reduzir virtualmente a temperatura de um sistema quântico após todos os métodos de resfriamento físico terem sido usados, portanto, poderia fornecer resfriamento adicional para qualquer outro método.

Planos futuros fantásticos

No futuro, os físicos planejam estender ainda mais a abordagem para estender o resfriamento virtual quântico para medir propriedades mais complicadas. Embora a configuração atual tenha sido projetada para medir apenas a densidade atômica em baixas temperaturas, os físicos desenvolveram uma abordagem alternativa de resfriamento para medir outras propriedades. Esta abordagem usa qubits em um circuito quântico, semelhantes aos protocolos de purificação de emaranhamento.

Os pesquisadores também esperam aplicar o resfriamento virtual quântico para investigar fenômenos de baixa temperatura, como a supercondutividade da onda d, um tipo de supercondutividade de alta temperatura, o que não é tão bem compreendido quanto a supercondutividade de baixa temperatura.

"Em relação à supercondutividade da onda d, seria interessante observá-lo como uma fase de baixa temperatura do modelo de Fermion-Hubbard, que pode ser realizado experimentalmente no laboratório, "Cotler disse." Aqui, 'Modelo Fermion-Hubbard' é o jargão da física para um sistema com tipos específicos de interações, e com partículas constituintes que são férmions (dos quais os elétrons são um exemplo bem conhecido).

"Você pode perguntar, por que este conjunto particular de interações é interessante, e por que nos preocupamos com a observação de uma fase supercondutora de onda d em baixas temperaturas? Existem várias razões. Uma é que o modelo Fermion-Hubbard é um bom sistema do ponto de vista teórico, e pode gerar insights sobre sistemas mais complicados que observamos na natureza, ou quer fazer engenharia.

"Contudo, é difícil entender a supercondutividade de baixa temperatura no sistema - as equações são muito difíceis, e simular o sistema em um computador é quase impossível, mesmo se tivermos um supercomputador. Uma abordagem é simular o modelo de Fermion-Hubbard em um computador quântico, mas ainda não temos um que o faça. Em vez de, podemos construir um modelo Fermion-Hubbard no laboratório, e explorar suas propriedades de baixa temperatura, resfriando-o. Em outras palavras, não precisamos de um computador quântico porque, na verdade, estamos construindo o sistema desejado no laboratório. Mas agora o problema é realmente resfriar o sistema experimental a temperaturas baixas o suficiente para que você possa ver uma fase supercondutora. No momento, isso está fora de alcance, mas parece que o resfriamento virtual quântico pode ajudar. "

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