Os computadores quânticos de íons presos são dispositivos quânticos nos quais os íons presos vibram juntos e são totalmente isolados do ambiente externo. Esses computadores podem ser particularmente úteis para investigar e realizar vários estados da física quântica.
Pesquisadores do NIST/Universidade de Maryland e da Duke University usaram recentemente um computador quântico de íons presos para realizar duas fases quânticas induzidas por medição, ou seja, a fase pura e a fase mista ou de codificação durante uma transição de fase de purificação. Suas descobertas, publicadas em um artigo na Nature Physics , contribuem para a compreensão experimental de sistemas quânticos de muitos corpos.

"Nossos métodos foram baseados no trabalho de Michael Gullans e David Huse, que identificaram uma transição de purificação induzida por medição em circuitos quânticos aleatórios", disse Crystal Noel, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “O principal objetivo do nosso artigo era observar experimentalmente esse fenômeno crítico, usando um computador quântico”.

Para medir a transição de fase de purificação descrita pela primeira vez por Gullans e Huse, os pesquisadores tiveram que calcular a média dos dados coletados em vários circuitos aleatórios. Além disso, as medidas coletadas incluíam medidas unitárias e projetivas.

“Começando em um estado misto com alta entropia, ou informação, e evoluindo os circuitos, a entropia no final do circuito indica se essa informação foi perdida ou, em outras palavras, o sistema foi purificado”, explicou Noel. "Medimos a entropia do sistema após a evolução do circuito enquanto ajustamos a taxa de medição ao longo da transição."

De acordo com as previsões teóricas, a transição de fase de purificação sondada pela equipe deve ter surgido em um ponto crítico, assemelhando-se a um limite tolerante a falhas. Noel e seus colegas realizaram seus experimentos em circuitos aleatórios que foram otimizados para funcionar bem com seu computador quântico de armadilha de íons. Isso permitiu que eles observassem as diferentes fases de purificação usando um sistema relativamente pequeno.

“Fenômenos críticos dessa natureza são difíceis de observar devido à necessidade de grandes tamanhos de sistema, medição de circuito médio e média de muitos circuitos aleatórios que levam um tempo de computação significativo”, disse Noel. "Encontramos uma maneira de adequar o modelo que estudamos ao sistema que tínhamos disponível e mostramos que com um modelo mínimo, os fenômenos críticos ainda podem ser observados."

Usando seu computador quântico de íons presos, a equipe conseguiu sondar tanto a fase pura da transição de fase de purificação quanto a fase mista ou de codificação. No primeiro desses estados, o sistema é rapidamente projetado para um estado puro, que está relacionado aos resultados da medição. No segundo, o estado inicial do sistema é parcialmente codificado em um espaço de codificação de correção de erros quânticos, que retém a memória do sistema de suas condições originais por mais tempo.

A realização bem-sucedida dessas duas fases da transição de purificação por Noel e seus colegas em seu computador quântico de armadilha de íons pode inspirar outras equipes a usar sistemas semelhantes para investigar outras fases quânticas da matéria. Em seu próximo trabalho, os pesquisadores continuarão usando o mesmo computador, que agora foi transferido para o New Duke Quantum Center, para investigar outros fenômenos físicos. Chris Monroe, o investigador principal do estudo recente, é agora o Diretor deste Centro, e estará conduzindo trabalhos de estudos adicionais usando o computador quântico de íons presos.

"Agora planejamos continuar a estudar fenômenos críticos em circuitos aleatórios usando nosso computador quântico de íons presos. Adicionaremos mais qubits e medição de circuito médio para aumentar as capacidades do hardware. Trabalharemos para encontrar novos observáveis ​​e transições interessantes que sejam semelhantes a o observado aqui para entender mais sobre computação quântica e sistemas quânticos abertos de forma mais geral." + Explorar mais

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