A aleatoriedade governa muitas coisas, desde o crescimento de colônias de células e a aglomeração de polímeros até as formas de gavinhas que se formam quando você despeja creme em uma xícara de café.

Desde 1905, os cientistas descreveram esses fenômenos aparentemente não relacionados de uma forma unificada:como passeios aleatórios. Ao imaginar que as partículas ou moléculas individuais estão constantemente dando passos em uma direção aleatória, pesquisadores modelaram com sucesso muitas das complexidades da física clássica.

Mais recentemente, cientistas trouxeram a ideia de uma caminhada aleatória para o mundo quântico, onde os "caminhantes" podem exibir comportamentos não clássicos como superposição quântica e emaranhamento. Essas caminhadas aleatórias quânticas podem simular sistemas quânticos e podem, eventualmente, ser usadas para implementar algoritmos de computação quântica velozes. Contudo, isso exigirá que o andador se mova em várias dimensões (2-D e superior), o que tem sido difícil de conseguir de uma maneira prática e escalonável.

Caminhadas quânticas que usam fótons - as partículas quânticas de luz - são particularmente promissoras, já que os fótons podem viajar por longas distâncias como energia em forma de onda. Contudo, fótons não carregam carga elétrica, o que torna difícil controlar totalmente seu movimento. Em particular, os fótons não respondem a campos magnéticos - uma ferramenta importante para manipular outras partículas como átomos ou elétrons.

Para resolver essas deficiências, pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) adotaram um método escalonável para orquestrar caminhadas aleatórias quânticas 2-D de fótons - resultados que foram publicados recentemente no jornal Cartas de revisão física . A equipe de pesquisa, liderado pelos Fellows JQI Edo Waks e Mohammad Hafezi, desenvolveram campos magnéticos sintéticos nesta plataforma que interagem com fótons e afetam o movimento dos caminhantes quânticos fotônicos.

"A fotônica oferece uma oportunidade única de estudar o comportamento de sistemas quânticos mal compreendidos, "diz Waks, que também é membro do Instituto de Pesquisa em Eletrônica e Física Aplicada (IREAP) e professor de física e engenharia elétrica e da computação na Universidade de Maryland. "Os conceitos por trás deste trabalho podem ajudar os pesquisadores a explorar novas matérias sintéticas que ainda não existem, mas podem ter propriedades e aplicações interessantes."

Estudos anteriores de caminhadas quânticas fotônicas usaram redes ópticas complexas para criar caminhos reais através do espaço para os caminhantes quânticos seguirem, divisão de fótons em caminhos esquerdo e direito em uma caminhada quântica 1D. Mas, imitando uma caminhada dimensional mais elevada - na qual os fótons podem subir, baixa, deixou, certo ou além - é muito complicado de implementar com esses sistemas.

Para resolver este problema, a equipe adotou um método mais simples para produzir um passeio quântico fotônico. Em vez de usar configurações ópticas complexas para criar caminhos reais para os fótons, eles usaram cabos de fibra ótica de comprimentos variados para simular as diferentes direções que um andador fotônico poderia potencialmente se mover. Uma vez que os fótons levam mais tempo para percorrer uma fibra mais longa, os tempos de viagem podem codificar as diferentes direções que um fóton pode tomar.

Direcionando fótons por uma fibra aleatória e redirecionando-os de volta através do sistema repetidamente, os autores podiam simular uma caminhada aleatória quântica usando atrasos de tempo em vez de posições físicas - uma simplificação significativa em comparação com os métodos anteriores. Ao medir os atrasos entre os pulsos de fótons após cada etapa, os pesquisadores foram capazes de determinar a distância que as partículas de luz percorreram de sua localização inicial.

"O bom de nossa plataforma é que ela pode ser facilmente dimensionada para dimensões maiores simplesmente usando mais cabos de fibra óptica com comprimentos diferentes, "diz Hamidreza Chalabi, um pesquisador de pós-doutorado no IREAP e o principal autor do estudo.

Em sua demonstração de um passeio aleatório quântico 2-D, os pesquisadores criaram um campo magnético sintético para os fótons - algo que pode um dia permitir caminhadas quânticas mais complexas ou mesmo simulações de sistemas quânticos arbitrários. Ao modificar a natureza da onda dos pulsos de fótons com base na direção em que se movem em cada etapa, a equipe criou um campo magnético eficaz nos caminhantes. Os pesquisadores então mediram a distância que os caminhantes viajaram de suas localizações iniciais e observaram que eles não foram tão longe quanto fizeram sem o campo - uma supressão prevista pela teoria.

"Este trabalho é um passo importante em direção a caminhadas aleatórias quânticas quânticas mais práticas, "diz Waks." Explorar como esses sistemas se comportam e como podemos controlá-los nos permitirá realizar simulações quânticas mais complexas. "