Nos últimos anos, houve avanços significativos no desenvolvimento de computadores quânticos digitais e simuladores. Esses sistemas físicos emergentes estão abrindo possibilidades sem precedentes para controlar e medir uma variedade de dinâmicas quânticas. Como resultado, algumas questões fundamentais na física de muitos corpos que antes seriam consideradas especulativas e fora do reino da exploração experimental podem agora ser examinadas em ambientes de laboratório.

Pesquisadores da Universidade de Stanford realizaram recentemente um estudo explorando o papel das medições quânticas na dinâmica de muitos corpos. Em seu jornal, publicado em Cartas de revisão física , eles apresentaram especificamente um protocolo que pode ser usado para realizar dinâmicas que incluem medições quânticas em computadores quânticos e simuladores quânticos, enquanto evita uma etapa processual conhecida como pós-seleção.

"As medições têm um lugar especial na física quântica:elas fazem o sistema 'colapsar' abruptamente em um dos vários resultados de medição possíveis, escolhido ao acaso, "Matteo Ippoliti e Vedika Khemani, os dois pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org. "Por exemplo, pense no gato de Schrõdinger em uma 'superposição' de vivos e mortos em uma caixa - assim que a caixa for aberta, o estado do gato se transforma em vivo ou morto. Em contraste, sistemas quânticos que são "deixados sozinhos" evoluem de forma determinística, também conhecida como dinâmica 'unitária'. "

Ao longo dos últimos anos, parcialmente motivado pelo progresso recente no desenvolvimento de dispositivos de computação quântica, muitos pesquisadores começaram a estudar a interação entre as medições quânticas e a dinâmica unitária de muitos corpos. Interessantemente, eles previram que os estados produzidos por esses dispositivos exibiriam um conjunto variado de novos fenômenos. Subseqüentemente, essas observações tornaram-se o foco de numerosos estudos teóricos.

"Do ponto de vista experimental, a aleatoriedade das medições quânticas representa um grande problema:a fim de fazer com segurança o mesmo estado (necessário para medir suas propriedades, ou para usá-lo em aplicativos), deve-se replicar a mesma sequência aleatória de resultados de medição indefinidamente, "Ippoliti e Khemani explicaram." Esta é uma ocorrência exponencialmente rara, como jogar uma moeda muitas vezes e obter uma sequência direta de caras, e não é uma limitação técnica, mas sim uma consequência das regras básicas da mecânica quântica. Este é o problema da 'pós-seleção'. "

Para medir o emaranhamento em dinâmica não unitária, pesquisadores teriam que repetir um experimento muitas vezes para satisfazer este requisito de `pós-seleção ', o que seria proibitivamente difícil. O objetivo principal do estudo realizado por Ippoliti e Khemani foi traçar uma estratégia que possibilitasse a realização experimental dessas dinâmicas sem a necessidade de pós-seleção. Eles propuseram que isso poderia ser alcançado trocando os papéis do espaço e do tempo, alavancando uma ideia conhecida como dualidade do espaço-tempo.

"Em termos simples, imagine ter um conjunto de bits quânticos (qubits) em seu laboratório, dispostos em uma linha, nas posições um, dois, etc, "Ippoliti e Khemani disseram." Eles podem ser feitos para interagir com seus vizinhos e, assim, evoluir com o tempo, descrevendo uma computação quântica. Agora imagine um sistema 'virtual' que existe na direção do tempo do laboratório e evolui na direção do espaço - passar de um qubit um para dois no laboratório significa evoluir este sistema virtual por uma unidade de tempo, etc. "

A 'evolução virtual' do sistema examinada pelos pesquisadores revelou-se não unitária, o que significa essencialmente que inclui alguns elementos de medição. Esses elementos, Contudo, são totalmente determinísticos e podem ser reproduzidos de forma confiável e repetida. Esta característica crucial permitiu que eles traduzissem sua ideia em um protocolo para realizar e estudar a dinâmica de emaranhamento em simuladores quânticos.

"As ideias por trás do nosso estudo podem parecer muito abstratas, mas nós os traduzimos em um protocolo específico que pode ser executado nos atuais simuladores quânticos digitais, "Ippoliti e Khemani disseram." Isso cria uma rota direta para estudar experimentalmente esses novos tipos de dinâmica quântica envolvendo medições, ao mesmo tempo em que traz algumas idéias teóricas empolgantes mais perto da concretização. "

No futuro, o protocolo desenvolvido por Ippoliti e Khemani poderia abrir novas possibilidades para estudar a dinâmica de emaranhamento em sistemas quânticos. Além disso, seu trabalho pode informar o desenvolvimento de novas estratégias para proteger as informações armazenadas em dispositivos quânticos existentes e recentemente desenvolvidos. A ideia de 'dualidade do espaço-tempo' introduzida por esses pesquisadores também poderia ser usada para estudar vários fenômenos físicos e dinâmicos associados a sistemas quânticos.

"No momento, estamos explorando os tipos de estados interessantes que podem ser preparados desta forma, e como eles podem se conectar às fases da matéria quântica que conhecemos, "Ippoliti e Khemani acrescentaram." Em uma nota mais geral, nossa pesquisa será informada por esta nova era de simulação e computação quântica, com objetivos duplos:por um lado, descobrir novos fenômenos fundamentais possibilitados por esse progresso tecnológico; no outro, buscar novas ideias fundamentais que podem ter impacto para as próprias tecnologias, particularmente novas maneiras de armazenar e manipular informações quânticas informadas por dinâmica. "

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