Físicos que estudam o estranho comportamento de ligas metálicas chamadas de férmions pesados ​​fizeram uma descoberta surpreendente que pode ser útil para proteger as informações armazenadas em bits quânticos, ou qubits, as unidades básicas de informação codificada em computadores quânticos.

Em um estudo no Proceedings of the National Academy of Sciences , pesquisadores da Rice University e da Vienna University of Technology (TU Wien), na Áustria, examinaram o comportamento de um cristal intermetálico de cério, paládio e silício, pois foi submetido a frio extremo e um forte campo magnético. Para sua surpresa, eles descobriram que podiam transformar o comportamento quântico do material de duas maneiras únicas, um em que os elétrons competem para ocupar orbitais e outro onde competem para ocupar estados de spin.

“O efeito é tão pronunciado com um grau de liberdade que acaba libertando o outro, "disse o Qimiao Si do arroz, co-autor do estudo e diretor do Rice Center for Quantum Materials (RCQM). "Você pode essencialmente ajustar o sistema para maximizar os danos a um deles, deixando o outro bem definido. "

Si disse que o resultado pode ser importante para empresas como o Google, IBM, Intel e outros que estão competindo para desenvolver computadores quânticos. Ao contrário dos computadores digitais de hoje, que usam eletricidade ou luz para codificar bits de informação, computadores quânticos usam os estados quânticos de partículas subatômicas como elétrons para armazenar informações em qubits. Um computador quântico prático poderia superar sua contraparte digital de muitas maneiras, mas a tecnologia ainda está em sua infância, e um dos principais obstáculos é a fragilidade dos estados quânticos dentro dos qubits.

"Você precisa de um estado quântico bem definido se quiser ter certeza de que as informações armazenadas em um qubit não serão alteradas devido à interferência de fundo, "Si disse.

Cada elétron age como um ímã giratório, e seu spin é descrito em um de dois valores, Para cima ou para baixo. Em muitos projetos de qubit, as informações são codificadas nesses spins, mas esses estados podem ser tão frágeis que mesmo pequenas quantidades de luz, aquecer, vibração ou som pode fazer com que eles mudem de um estado para outro. Minimizar as informações perdidas para tal "decoerência" é uma grande preocupação no design de qubit, Si disse.

No novo estudo, Si trabalhou com o colaborador de longa data Silke Paschen da TU Wien para estudar um material onde os estados quânticos dos elétrons eram misturados não apenas em termos de seus spins, mas também em termos de seus orbitais.

"Projetamos um sistema, realizado em alguns modelos teóricos e concomitantemente realizado em um material, onde spins e orbitais estão quase em pé de igualdade e estão fortemente acoplados, " ele disse.

De pesquisas anteriores em 2012, Si, Paschen e seus colegas sabiam que os elétrons no composto poderiam interagir tão fortemente que o material sofreria uma mudança dramática em uma temperatura criticamente fria. De cada lado deste "ponto crítico quântico, "elétrons em orbitais chave se arranjariam de uma maneira completamente diferente, com a mudança ocorrendo apenas devido às interações quânticas entre eles.

O estudo anterior invocou uma teoria bem conhecida que Si e colaboradores desenvolveram em 2001 que prescreve como os spins desses elétrons localizados, que são parte dos átomos dentro da liga, fortemente acoplado com elétrons de condução de fluxo livre no ponto crítico quântico. De acordo com esta teoria de "crítica quântica local", conforme o material é resfriado e se aproxima do ponto crítico, os spins dos elétrons localizados e dos elétrons de condução começam a competir para ocupar determinados estados de spin. O ponto crítico quântico é o ponto de inflexão em que essa competição destrói o arranjo ordenado dos elétrons localizados e, em vez disso, eles ficam completamente emaranhados com os elétrons de condução.

Mesmo que o Si tenha estudado a criticidade quântica por quase 20 anos, ele ficou surpreso com os resultados dos últimos experimentos de Paschen.

"Os novos dados foram completamente desconcertantes para todos nós, "disse ele." Isto é, até percebermos que o sistema continha não apenas spins, mas também orbitais como graus de liberdade ativos. "

Com essa percepção, A equipe de Si, incluindo o estudante de graduação da Rice, Ang Cai, construiu um modelo teórico que contém os spins e orbitais. Sua análise detalhada do modelo revelou uma forma surpreendente de criticidade quântica que forneceu uma compreensão clara dos experimentos.

"Foi um choque para mim, tanto da perspectiva do modelo teórico quanto dos experimentos, "ele disse." Mesmo que isso seja uma sopa de coisas - gira, orbitais que estão todos fortemente acoplados uns aos outros e aos elétrons de condução de fundo - poderíamos resolver dois pontos críticos quânticos neste sistema sob a sintonia de um parâmetro, que é o campo magnético. E em cada um dos pontos críticos quânticos, apenas o spin ou orbital está conduzindo a criticidade quântica. O outro é mais ou menos um espectador. "