Usando um computador de recozimento quântico D-Wave como um ambiente de teste, cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos mostraram que é possível isolar os chamados monopólos magnéticos emergentes, uma classe de quasipartículas, criando uma nova abordagem para o desenvolvimento de "materiais por design".

"Queríamos estudar monopolos magnéticos emergentes explorando a dinâmica coletiva dos qubits, "disse Cristiano Nisoli, um dos principais autores do estudo em Los Alamos. "Monopolos magnéticos, como partículas elementares com apenas um pólo magnético, foram levantadas por muitos, e famoso por Dirac, mas provaram ser esquivos até agora. "

Eles perceberam um gelo artificial de spin usando os qubits supercondutores da máquina quântica como um bloco de construção magnético. A geração de materiais magnéticos com propriedades exóticas dessa forma é inovadora em muitos aspectos. O processo deles usou a lei de Gauss para capturar monopólos, permitindo aos cientistas observar sua dinâmica ativada por quantum e sua interação mútua. Este trabalho demonstra inequivocamente que monopólos magnéticos não só podem emergir de uma estrutura de spin subjacente, mas pode ser controlado, isolado e estudado com precisão.

"Foi mostrado na última década ou mais que os monopólos podem emergir como quasipartículas para descrever os gelos de excitação de várias geometrias. Anteriormente, a instalação de campo pulsado do National High Magnetic Field Laboratory aqui em Los Alamos foi capaz de "ouvir" o ruído monopolo em gelos de spin artificiais. E agora, utilizando um sistema de recozimento quântico D-Wave, temos controle suficiente para realmente capturar uma ou mais dessas partículas e estudá-las individualmente. Nós os vimos andando, ficando preso, e sendo criado e aniquilado em pares de carga magnética oposta. E poderíamos, assim, confirmar nossas previsões teóricas quantitativas, que interagem e, de fato, filtram uns aos outros, "disse Nisoli.

"Os processadores da D-Wave são projetados para se destacarem em otimização, mas também pode ser usado como simuladores quânticos. Ao programar as interações desejadas de nosso material magnético nos qubits da D-Wave, podemos realizar experimentos que, de outra forma, são extremamente difíceis, "disse Andrew King, diretor de Pesquisa de Desempenho da D-Wave e autor do artigo. "Este colaborativo, trabalho de prova de princípio demonstra novas capacidades experimentais, melhorando a potência e a versatilidade dos estudos de spin ice artificial. A capacidade de manipular programaticamente quasipartículas emergentes pode se tornar um aspecto-chave para a engenharia de materiais e até mesmo para a computação quântica topológica; esperamos que seja fundamental para pesquisas futuras. "

Nisoli acrescentou, "Nós apenas arranhamos a superfície dessa abordagem. Sistemas de gelo artificial anteriores foram realizados com nanoímãs, e eles obedeciam à física clássica. Em vez disso, essa percepção é totalmente quântica. Para evitar o salto, nos concentramos até agora em um estudo quase clássico, mas no futuro, podemos realmente aumentar essas flutuações quânticas, e investigar questões muito oportunas de decoerência, memória, informação quântica, e ordem topológica, com implicações tecnológicas significativas. "

"Esses resultados também têm consequências tecnológicas particularmente relevantes para o DOE e Los Alamos, especificamente na ideia de materiais por design, para produzir nanoímãs futuros que possam mostrar funcionalidade avançada e desejável para detecção e computação. Monopolos, como portadores de informações binárias, pode ser relevante para a spintrônica. Eles também contribuem significativamente para os investimentos em Los Alamos D-Wave, "observou Alejandro Lopez- Bezanilla de Los Alamos, que trabalha no processador D-Wave e montou a equipe.

Nisoli, além disso, sugere que, além de aplicações produtivas, esses resultados também poderiam fornecer subsídios para o pensamento da física fundamental. "Nossas teorias fundamentais de partículas são modelos parametrizados. Perguntamo-nos:o que é uma partícula? Mostramos aqui experimentalmente que não apenas as partículas, mas também suas interações de longo alcance podem ser mais elevadas - descrição de nível de uma estrutura subjacente muito simples, um apenas acoplado em vizinhos mais próximos. Poderia até partículas "reais" e interações que consideramos fundamentais, como léptons e quarks, em vez disso, deve ser interpretado como um emergente, descrição de nível superior de um substrato binário de nível inferior mais complexo, muito parecido com nossos monopolos emergindo de um monte de qubits? "