De água fervendo em vapor a cubos de gelo derretendo em um copo, todos nós já vimos o fenômeno conhecido como transição de fase em nossas vidas cotidianas. Mas há outro tipo de transição de fase que é muito mais difícil de ver, mas igualmente gritante:transições de fase quântica.
Quando resfriados a quase zero absoluto, certos materiais podem sofrer essas transições de fase quântica, o que pode fazer o queixo de um físico cair. O material pode passar de magnético para não magnético, ou pode subitamente adquirir a superpotência de conduzir eletricidade com zero energia perdida como calor.

A matemática por trás dessas transições é difícil de lidar, mesmo para supercomputadores, mas uma nova Revisão Física A Um estudo da Universidade de Chicago sugere uma nova maneira de trabalhar com esses cálculos complicados, que podem eventualmente render avanços tecnológicos. O atalho puxa apenas as informações mais importantes para a equação e cria um "mapa" de todas as transições de fase possíveis no sistema que está sendo simulado.

"Esta é uma maneira potencialmente poderosa de analisar as transições de fase quântica que podem ser usadas com computadores tradicionais ou quânticos", disse David Mazziotti, químico teórico do Departamento de Química e do Instituto James Franck da Universidade de Chicago e autor sênior. do estudo.

Ele e outros cientistas pensam que, se pudermos entender completamente a física complexa em jogo por trás das transições de fase quântica, poderemos abrir portas para novas tecnologias. Descobertas semelhantes no passado, por exemplo, levaram a máquinas de ressonância magnética e os transistores que tornam possíveis computadores e telefones modernos.

Uma abordagem simplificada

As mudanças de fase com as quais você está familiarizado, como evaporação e condensação, acontecem devido a mudanças de temperatura. Mas as transições de fase quântica são desencadeadas por alguma interferência em seu ambiente, como um campo magnético.

O fenômeno ocorre como resultado de muitos elétrons agindo em relação uns com os outros - um tipo de interação que se enquadra em um subcampo notoriamente complexo conhecido como física "fortemente correlacionada". Tradicionalmente, para simular essas transições de fase quântica, os cientistas devem criar um modelo que incorpore as possibilidades de cada elétron. Mas o poder de computação necessário para executar essas simulações fica fora de controle muito rapidamente.

Acredita-se que os computadores quânticos sejam mais adequados para esse tipo de problema do que os computadores convencionais, mas mesmo esse método tem seus obstáculos:por exemplo, esses problemas criam uma tonelada de dados que precisam ser traduzidos de volta para a linguagem dos computadores "normais". para os cientistas trabalharem com eles.

Assim, os pesquisadores queriam ver como poderiam simplificar o cálculo sem perder a precisão.

Em vez de criar uma simulação que calcula cada variável em um determinado sistema quântico, eles encontraram uma abordagem diferente:substituir um conjunto de números que descreve as possíveis interações entre cada par de elétrons. Isso é chamado de "matriz de densidade reduzida de dois elétrons".

“Ao medir o conjunto que descreve a matriz de densidade reduzida de dois elétrons, acabamos criando um mapa de todas as diferentes fases que o sistema quântico pode experimentar”, explicou o estudante de pós-graduação Sam Warren, o primeiro autor do estudo.

Este "mapa" em si, disse ele, também oferece benefícios úteis:"Ele permite que você veja transições que poderiam ser perdidas e cria uma visualização realmente poderosa que permite que você compreenda fácil e rapidamente uma visão geral de alto nível do sistema. "

A equipe tentou usar o método para modelar vários tipos diferentes de transições de fase e descobriu que era tão preciso quanto o método tradicional, mais intensivo em dados.

"Isso nos dá a física fundamental que precisamos para entender o sistema, minimizando as demandas de computação", disse a estudante de pós-graduação LeeAnn Sager-Smith, a segunda autora do estudo.

Mazziotti espera que o método seja útil não apenas para executar simulações em computadores quânticos, mas para desenvolver nossa compreensão das transições de fase quântica em geral. "Existem algumas áreas que foram pouco exploradas porque são muito difíceis de modelar", disse ele. "Espero que esta abordagem possa abrir algumas novas portas." + Explorar mais

Novo método poderoso para explorar transições de fase em sistemas quânticos fortemente correlacionados