Na física nuclear, gosto muito da ciência, teorias detalhadas por si só nem sempre são suficientes para desbloquear previsões sólidas. Muitas vezes, há muitas peças, interagindo de maneiras complexas, para os pesquisadores seguirem a lógica de uma teoria até o seu fim. É uma das razões pelas quais ainda existem tantos mistérios na natureza, incluindo como os blocos de construção básicos do universo se aglutinam e formam estrelas e galáxias. O mesmo é verdade em experimentos de alta energia, em que partículas como prótons se chocam em velocidades incríveis para criar condições extremas semelhantes àquelas logo após o Big Bang.

Felizmente, os cientistas muitas vezes podem usar simulações para cortar os meandros. Uma simulação representa os aspectos importantes de um sistema - como um avião, o fluxo de tráfego de uma cidade ou um átomo - como parte de outro, sistema mais acessível (como um programa de computador ou um modelo em escala). Os pesquisadores usaram sua criatividade para tornar as simulações mais baratas, mais rápido ou fácil de trabalhar do que os assuntos formidáveis ​​que eles investigam - como colisões de prótons ou buracos negros.

Simulações vão além de uma questão de conveniência; eles são essenciais para lidar com casos que são muito difíceis de observar diretamente em experimentos e muito complexos para os cientistas extraírem todas as conclusões lógicas dos princípios básicos. Diversas descobertas de pesquisa - desde a modelagem das complexas interações das moléculas por trás da vida até a previsão das assinaturas experimentais que finalmente permitiram a identificação do bóson de Higgs - resultaram do uso engenhoso de simulações.

Mas as simulações convencionais só levam você até certo ponto. Em muitos casos, uma simulação requer tantos cálculos que os melhores computadores já construídos não podem fazer um progresso significativo - nem mesmo se você estiver disposto a esperar a vida inteira.

Agora, simuladores quânticos (que exploram efeitos quânticos como superposição e emaranhamento) prometem usar seu poder para lidar com muitos problemas que se recusaram a ceder a simulações construídas em computadores clássicos - incluindo problemas em física nuclear. Mas para executar qualquer simulação, quantum ou não, os cientistas devem primeiro determinar como representar fielmente seu sistema de interesse em seu simulador. Eles devem criar um mapa entre os dois.

O físico nuclear computacional Zohreh Davoudi, um professor assistente de física na Universidade de Maryland (UMD), está colaborando com pesquisadores da JQI para explorar como as simulações quânticas podem ajudar os físicos nucleares. Eles estão trabalhando para criar alguns dos primeiros mapas entre as teorias que descrevem os fundamentos da física nuclear e os primeiros simuladores quânticos e computadores quânticos sendo montados em laboratórios.

"Parece que estamos prestes a entrar na próxima fase da computação que tira proveito da mecânica quântica, "diz Davoudi." E se os cientistas nucleares não entrarem neste campo agora - se não começarmos a mover nossos problemas para tal hardware quântico, podemos não ser capazes de alcançá-lo mais tarde, porque a computação quântica está evoluindo muito rápido. "

Davoudi e vários colegas, incluindo JQI Fellows Chris Monroe e Mohammad Hafezi, projetou sua abordagem para fazer mapas visando a compatibilidade com as tecnologias quânticas no horizonte. Em um novo artigo publicado em 8 de abril, 2020 na revista Physical Review Research, eles descrevem seu novo método e como ele cria novas oportunidades de simulação para os pesquisadores explorarem.

"Ainda não está claro exatamente onde os computadores quânticos serão aplicados de maneira útil, "diz Monroe, que também é professor de física na UMD e cofundador da startup de computação quântica IonQ. "Uma estratégia é implantá-los em problemas baseados na física quântica. Existem muitas abordagens na estrutura eletrônica e na física nuclear que são tão desgastantes para os computadores normais que os computadores quânticos podem ser um caminho a seguir."

Padrões e controle

Como primeiro alvo, a equipe focou em teorias de bitola treliça. As teorias de calibre descrevem uma grande variedade de física, incluindo a dança intrincada de quarks e glúons - as partículas fundamentais da física nuclear. As versões reticuladas das teorias de calibre simplificam os cálculos, restringindo todas as partículas e suas interações a uma grade ordenada, como peças de um tabuleiro de xadrez.

Mesmo com esta simplificação, os computadores modernos ainda podem engasgar ao simular aglomerados densos de matéria ou ao rastrear como a matéria muda ao longo do tempo. A equipe acredita que os computadores quânticos podem superar essas limitações e, eventualmente, simular tipos mais desafiadores de teorias de calibre - como a cromodinâmica quântica, que descreve as fortes interações que ligam quarks e glúons em prótons e nêutrons e os mantêm juntos como núcleos atômicos.

Davoudi e seus colegas escolheram íons atômicos presos - a especialidade de Monroe - como o sistema físico para realizar sua simulação. Nestes sistemas, íons, que são átomos eletricamente carregados, flutuar, cada um preso por um campo elétrico ou magnético circundante. Os cientistas podem projetar esses campos para organizar os íons em vários padrões que podem ser usados ​​para armazenar e transferir informações. Para esta proposta, a equipe se concentrou em íons organizados em uma linha reta.

Os pesquisadores usam lasers para controlar cada íon e suas interações com os vizinhos - uma habilidade essencial ao criar uma simulação útil. Os íons são muito mais acessíveis do que as partículas menores que intrigam Davoudi. Os físicos nucleares só podem sonhar em alcançar o mesmo nível de controle sobre as interações no coração dos átomos.

"Pegue um problema na escala do femtômetro e expanda-o para a escala de mícron - isso aumenta drasticamente o nosso nível de controle, "diz Hafezi, que também é professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computadores e do Departamento de Física da UMD. "Imagine que você deveria dissecar uma formiga. Agora a formiga está esticada para a distância entre Boston e Los Angeles."

Ao projetar seu método de criação de mapas, a equipe analisou o que pode ser feito com lasers prontos para uso. Eles perceberam que a tecnologia atual permite que os caçadores de íons configurem lasers em um novo, maneira eficiente que permite o controle simultâneo de três diferentes interações de spin para cada íon.

"Os sistemas de íons presos vêm com uma caixa de ferramentas para simular esses problemas, "diz Hafezi." Seu recurso surpreendente é que às vezes você pode voltar e projetar mais ferramentas e adicioná-las à caixa. "

Com esta oportunidade em mente, os pesquisadores desenvolveram um procedimento para produzir mapas com duas características desejáveis. Primeiro, os mapas maximizam o quão fielmente a simulação da armadilha de íons corresponde a uma teoria de calibre de rede desejada. Segundo, eles minimizam os erros que ocorrem durante a simulação.

No papel, os pesquisadores descrevem como essa abordagem pode permitir que uma cadeia unidimensional de íons simule algumas teorias de calibre de rede simples, não apenas em uma dimensão, mas também em dimensões superiores. Com esta abordagem, o comportamento dos spins de íons pode ser adaptado e mapeado para uma variedade de fenômenos que podem ser descritos por teorias de calibre de rede, como a geração de matéria e antimatéria a partir do vácuo.

"Como um teórico nuclear, Estou animado para trabalhar mais com teóricos e experimentalistas com experiência em atômica, molecular, e física óptica e tecnologia de armadilha de íons para resolver problemas mais complexos, "diz Davoudi." Expliquei a singularidade do meu problema e do meu sistema, e eles explicaram os recursos e capacidades de seu sistema, em seguida, discutimos ideias sobre como podemos fazer esse mapeamento. "

Monroe aponta que "isso é exatamente o que é necessário para o futuro da computação quântica. Este 'co-design' de dispositivos feitos sob medida para aplicações específicas é o que torna o campo novo e excitante."

Analógico vs. Digital

As simulações propostas por Davoudi e seus colegas são exemplos de simulações analógicas, uma vez que eles representam diretamente elementos e interações em um sistema com os de outro sistema. Geralmente, os simuladores analógicos devem ser projetados para um determinado problema ou conjunto de problemas. Isso os torna menos versáteis do que os simuladores digitais, que têm um conjunto estabelecido de blocos de construção discretos que podem ser colocados juntos para simular quase qualquer coisa com tempo e recursos suficientes.

A versatilidade das simulações digitais tem alterado o mundo, mas um sistema analógico bem projetado geralmente é menos complexo do que sua contraparte digital. Simulações analógicas quânticas cuidadosamente projetadas podem fornecer resultados para certos problemas antes que os computadores quânticos possam realizar simulações digitais de forma confiável. Isso é semelhante a apenas usar um túnel de vento em vez de programar um computador para modelar a maneira como o vento sopra tudo, de um ganso a um avião de combate experimental.

A equipe de Monroe, em colaboração com o co-autor Guido Pagano, um ex-pesquisador de pós-doutorado JQI que agora é professor assistente na Rice University, está trabalhando para implementar a nova abordagem analógica nos próximos anos. O sistema completo deve ser capaz de simular uma variedade de teorias de calibre de rede.

Os autores afirmam que esta pesquisa é apenas o começo de um caminho mais longo. Uma vez que as teorias de calibre de rede são descritas de maneiras matematicamente semelhantes a outros sistemas quânticos, os pesquisadores estão otimistas de que sua proposta encontrará usos além da física nuclear, como na física da matéria condensada e na ciência dos materiais. Davoudi também está trabalhando para desenvolver propostas de simulação quântica digital com Monroe e Norbert Linke, outro companheiro JQI. Ela espera que os dois projetos revelem as vantagens e desvantagens de cada abordagem e forneçam insights sobre como os pesquisadores podem lidar com problemas de física nuclear com todo o poder da computação quântica.

"Queremos, eventualmente, simular teorias de natureza mais complexa e, em particular, a cromodinâmica quântica que é responsável pela forte força na natureza, "diz Davoudi." Mas isso pode exigir pensar ainda mais fora da caixa. "