p A simulação quântica desempenha um papel insubstituível em diversos campos, além do escopo dos computadores clássicos. Em um estudo recente, Keren Li e uma equipe de pesquisa interdisciplinar do Center for Quantum Computing, Ciência e Engenharia Quântica e o Departamento de Física e Astronomia da China, EUA Alemanha e Canadá. Simulação experimental de estados de rede de spin simulando tetraedros quânticos do espaço-tempo em um simulador quântico de ressonância magnética nuclear (NMR) de quatro qubit. A fidelidade experimental foi acima de 95 por cento. A equipe de pesquisa usou o tetraedro quântico preparado por ressonância magnética nuclear para simular uma amplitude de vértice (modelo) de spinfoam bidimensional (2-D), e exibir a dinâmica local do espaço-tempo quântico. Li et al. mediu as propriedades geométricas dos tetraedros quânticos correspondentes para simular suas interações. O trabalho experimental é uma tentativa inicial e um módulo básico para representar o vértice do diagrama de Feynman na formulação de spinfoam, para estudar a gravidade quântica em loop (LQG) usando o processamento de informações quânticas. Os resultados já estão disponíveis na Física da Comunicação. p Os computadores clássicos não podem estudar grandes sistemas quânticos, apesar das simulações bem-sucedidas de uma variedade de sistemas físicos. As restrições sistemáticas dos computadores clássicos ocorreram quando o crescimento linear dos tamanhos do sistema quântico correspondeu ao crescimento exponencial do Espaço de Hilbert, uma base matemática da mecânica quântica. Os físicos quânticos pretendem superar o problema usando computadores quânticos que processam informações intrinsecamente ou mecanicamente quântica para superar seus equivalentes clássicos exponencialmente. Em 1982, O físico Richard Feynman definiu os computadores quânticos como sistemas quânticos que podem ser controlados para imitar ou simular o comportamento ou as propriedades de sistemas quânticos relativamente menos acessíveis.

p No presente trabalho, Li et al. utilizou ressonância magnética nuclear (NMR) com alto desempenho controlável no sistema quântico para desenvolver métodos de simulação. A estratégia facilitou a apresentação de geometrias quânticas de espaço e espaço-tempo com base nas analogias entre estados de spin nuclear em amostras de RMN e estados de rede de spin em gravidade quântica. A gravidade quântica visa unir a gravidade de Einstein com a mecânica quântica para expandir nossa compreensão da gravidade para a escala de Planck (1,22 x 10 ¹⁹ GeV). Na escala de Planck (magnitudes do espaço, tempo e energia) a gravidade de Einstein e o continuum da decomposição do espaço-tempo podem ser substituídos por meio do espaço-tempo quântico. As abordagens de pesquisa para a compreensão dos espaços-tempos quânticos estão atualmente enraizadas em redes de spin (um gráfico de linhas e nós para representar o estado quântico do espaço em um determinado ponto no tempo), que são importantes, quadro não perturbativo da gravidade quântica.

p Em 1971, o físico Roger Penrose propôs redes de spin motivadas pela teoria dos twistores com aplicações subsequentes para a gravidade quântica em loop (LQG). As redes de spin eram estados quânticos que representam geometrias quânticas fundamentalmente discretas do espaço na escala de Planck. No presente estudo, a equipe de pesquisa representou a rede de spin usando um gráfico com links e nós coloridos por metades de spin. Por exemplo, qualquer nó com arestas correspondia a uma geometria e, portanto, um grafo contendo nós de quatro valentes correspondia à geometria quântica do tetraedro.

p A equipe de pesquisa desenvolveu uma "rede" contendo várias folhas de mundo tridimensionais (3-D) (superfícies 2-D) e suas interseções. Eles mostraram que cada vértice onde as superfícies se encontram, levou a uma transição quântica que mudou a rede de spin para representar a dinâmica local da geometria quântica. Muito parecido com os diagramas de Feynman (representações esquemáticas de expressões matemáticas que descrevem o comportamento de partículas subatômicas), Os espaços-tempos quânticos codificam as amplitudes de transição e as amplitudes de spinfoam entre as redes de spin inicial e final. Os espaços-tempos quânticos e amplitudes de spinfoam desenvolvidos no estudo forneceram uma abordagem consistente e promissora para a gravidade quântica. Li et al. apresentou a simulação de NMR pela capacidade de controlar qubits individuais com alta precisão. Os tetraedros quânticos e as amplitudes dos vértices serviram como blocos de construção de LQG (gravitação quântica em loop) para abrir uma nova janela para incluir LQG em experimentos quânticos.

p Os cientistas primeiro derivaram equações para descrever um tetraedro quântico dentro de uma rede de spin. Em um modelo de espaço-tempo quântico dinâmico esquemático 3 + 1-dimensional, eles demonstraram um átomo como uma esfera 3 envolvendo uma parte do espaço-tempo quântico que envolve um vértice. A equipe modelou a fronteira do espaço-tempo quântico fechado precisamente como uma rede de spin e mostrou a possibilidade de simular grandes espaços-tempos quânticos com muitos vértices por colagem quântica dos átomos. A estrutura resultante assemelhava-se à amplitude do vértice do espaço-tempo quântico semelhante aos modelos de rede topológica de Ooguri desenvolvidos anteriormente em quatro dimensões. Os pesquisadores mostraram que o LQG identifica geometrias de tetraedros quânticos com os momentos angulares quânticos. A identificação permitiu que simulassem geometrias quânticas com registradores quânticos (analógico da mecânica quântica de um registrador de processador clássico). Em geral, um registro quântico pode ser alcançado matematicamente usando produtos tensores.

p Durante os experimentos, Li et al. simulou 10 tetraedros quânticos preparando os estados tensores invariantes correspondentes. Eles rotularam esses estados usando 10 pontos coloridos na esfera de Bloch (representação geométrica) e conduziram os experimentos em um espectrômetro DRX Bruker de 700 MHz em temperatura ambiente. Para todos os experimentos, a equipe de pesquisa usou a molécula de ácido crotônico com quatro ¹³ Núcleos C adequados para o sistema de quatro qubit. Os cientistas desenvolveram o sistema experimental para preparar tetraedros quânticos e simular sua dinâmica local em três partes.

1. Para preparação de estado, primeiro, eles inicializaram todo o sistema em um estado pseudo-puro. Eles obtiveram uma fidelidade acima de 99% usando o método da média espacial. Em seguida, eles conduziram o sistema a 10 estados ou transformações de tensor invariante, que implementaram usando 10 pulsos em forma de 20 ms.
2. Próximo, para medidas de geometria, a equipe apresentou as propriedades geométricas medidas usando um histograma 3-D. A incerteza experimental neste ponto resultou do processo de ajuste do espectro de NMR. A coincidência entre as simulações experimentais e teóricas implicava que os estados tensores invariantes preparados nos experimentos combinavam com os blocos de construção - tetraedros quânticos.
3. Durante a simulação de amplitude, os estados da rede de spin serviram como dados de limite do espaço-tempo quântico 3 + 1-dimensional. A amplitude do vértice definida no estudo determinou a amplitude do spinfoam e descreveu a dinâmica local da gravidade quântica no espaço-tempo quântico 4-D, para exibir as propriedades desses dados de limite.

p A fim de obter as amplitudes dos vértices, os pesquisadores calcularam os produtos internos entre cinco diferentes estados de tetraedro quântico. Idealmente, os pesquisadores poderiam ter usado um computador quântico de 20 qubit, estabelecendo dois qubit estados maximamente emaranhados entre dois tetraedros arbitrários. Contudo, uma vez que um computador quântico de tais dimensões está atualmente além da tecnologia de ponta comercializada, os pesquisadores alternadamente realizaram tomografia completa da preparação do estado para obter informações dos estados do tetraedro quântico. Quando os cientistas calcularam as fidelidades entre os estados experimentais do tetraedro quântico e a teoria, os resultados ficaram bem acima de 95%. Usando o tetraedro quântico, a equipe de pesquisa simulou a amplitude do vértice. Eles compararam os resultados entre o experimento e a simulação numérica entre todos os cinco tetraedros. De acordo, Os pontos de sela da amplitude nos experimentos ocorreram onde os cinco tetraedros interagindo demonstraram um significado geométrico simples ao serem colados para formar um quatro-simplex geométrico.

p Desta maneira, Keren Li e colegas de trabalho usaram um registro quântico no sistema NMR para criar 10 estados de tensor invariante para representar 10 tetraedros quânticos. Eles alcançaram uma fidelidade acima de 95 por cento e, subsequentemente, mediram os ângulos diédricos (duas faces planas) do modelo. Eles consideraram os erros de ajuste de espectro e identificação geométrica para entender o sucesso na simulação de tetraedros quânticos no estudo. O novo trabalho de pesquisa apresentou um primeiro passo para explorar os estados da rede de spin e as amplitudes da espuma de spin usando um simulador quântico. O trabalho que acompanha também demonstrou experimentos válidos para estudar LGQ. p © 2019 Science X Network