Evolução temporal de um par quark-antiquark produzido por uma colisão de partículas de alta energia. O par se separa no espaço, produzindo pares adicionais de quark-antiquark, mas essas partículas secundárias ainda mantêm o emaranhamento quântico. Crédito:Adrien Florio et. al. Cartas de revisão física Hoje, a palavra “quantum” está em toda parte – em nomes de empresas, títulos de filmes e até mesmo em cinemas. Mas, em sua essência, o conceito de quantum – a menor e discreta quantidade de algo – foi desenvolvido pela primeira vez para explicar o comportamento dos menores pedaços de matéria e energia.
Ao longo do último século, os cientistas desenvolveram descrições matemáticas de como estas partículas e pacotes de energia interagem e usaram o seu conhecimento da "mecânica quântica" para conceber uma série de tecnologias surpreendentes - desde computadores e telemóveis até telescópios e naves espaciais.
Novas aplicações, como poderosos computadores quânticos e redes de comunicações quânticas, estão no horizonte. Mas mesmo antes de estas aplicações chegarem ao mainstream, os cientistas estão a desenvolver código quântico para realizar cálculos quânticos – e a utilizá-lo para rastrear sistemas quânticos complexos.
Em um exemplo recente, teóricos e cientistas computacionais do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade Stony Brook (SBU) realizaram uma série de simulações quânticas para explorar uma das características mais peculiares do reino quântico:o emaranhamento. O estudo leva a quântica de volta às suas raízes ao tentar explicar o comportamento das partículas subatômicas.
"A ideia essencial por trás do emaranhamento é que dois objetos quânticos - digamos, duas partículas - podem estar correlacionados ou ter consciência um do outro, mesmo que estejam separados por distâncias muito grandes", explicou o teórico do Brookhaven Lab/SBU, Dmitri Kharzeev, que liderou o estudo. pesquisar. Einstein chamou isso de “ação assustadora à distância”. Mas inúmeras experiências mostraram que o efeito assustador é real.
Para dar um passo adiante, Kharzeev e seus colegas queriam ver se o emaranhamento persistia em jatos de partículas secundárias – cascatas de partículas produzidas pela fragmentação de partículas supostamente emaranhadas emitidas por colisões de partículas de alta energia. Eles desenvolveram simulações para procurar correlações entre as partículas de um jato e as de um jato produzido consecutivamente pelo mesmo evento inicial.
Suas simulações, descritas em uma publicação na Physical Review Letters , revelou forte emaranhamento persistente, pelo menos em distâncias curtas.
Os resultados fornecem uma base para testar essas previsões em experimentos de física nuclear no Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC) no Laboratório Brookhaven, no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no laboratório CERN da Europa, e no futuro Colisor de Íons-Elétrons (EIC), agora em fase de projeto em Brookhaven. Além disso, o método, que utilizou código quântico executado em um supercomputador clássico, oferece insights sobre maneiras de modernizar e aproveitar os ativos de computação existentes para executar cálculos quânticos até que surjam computadores quânticos mais práticos.
Detecção de emaranhamento secundário
"Se você produzir um quark e um antiquark consecutivos em uma colisão de alta energia, você espera que essas duas partículas fiquem emaranhadas porque foram produzidas na mesma interação", disse o co-autor do estudo Adrien Florio, Goldhaber Fellow que trabalha com Kharzeev. no Departamento de Física do Brookhaven Lab. "Mas detectar este emaranhado não é fácil porque não podemos observar os quarks diretamente. Os quarks e os antiquarks devem sempre ser 'confinados' - emparelhados ou triplicados para formar partículas compostas chamadas hádrons."
O enigma do confinamento significa que, assim que o quark e o antiquark emergem da colisão, começam imediatamente a ceder a sua energia ao vácuo circundante. Essa energia gera novos pares quark-antiquark – uma cascata, ou jato, de hádrons ligados para cada partícula inicial.
Os modelos tradicionais de produção de jatos fornecem descrições probabilísticas das partículas que compõem os jatos em três dimensões. Procurar correlações um a um de uma partícula específica em um jato com uma partícula no outro seria um enorme desafio.
“Antes da computação quântica, nem sabíamos como resolver isso”, disse Florio.
Mas, ao simular as partículas usando qubits, as unidades fundamentais da computação quântica, os cientistas puderam testar se os qubits que representam pontos individuais no espaço e no tempo estavam emaranhados. Além disso, utilizaram uma estrutura teórica mais simples que reduziu a complexidade dos jatos a apenas duas dimensões – uma dimensão espacial mais o tempo.
“Como o quark e o antiquark são produzidos em energias muito altas, eles se movem como balas no vácuo quântico ao longo de uma linha reta”, disse Florio. “Nós apenas procuramos correlações entre qubits que representam partículas ao longo dessa trajetória em linha reta ao longo do tempo”.
Entropia de emaranhamento
Os cálculos foram projetados em colaboração com Kwang Min Yu da Computational Science Initiative (CSI) do Brookhaven Lab para mostrar se a "entropia de emaranhamento" de um hádron em um ponto específico da trajetória de um jato estava correlacionada com a entropia de emaranhamento de um hádron no correspondente ponto no jato oposto.
“A entropia é uma medida de incerteza”, explicou Kharzeev. “Quando você tem muito caos e incerteza em sua vida, ela tem uma grande quantidade de entropia.” Os estados quânticos puros, em contraste, têm entropia de emaranhamento zero. “Nesses estados, tudo está sob controle. Você sabe exatamente em que estado se encontra, então não há incerteza”, disse ele.
Mas se dois estados quânticos puros – partículas ou qubits – estiverem emaranhados, “se você fizer algo em um, então algo acontecerá no outro”, explicou ele. "Isso significa que se eu medir apenas um, não possuo informações completas sobre ele porque parte de seu estado é controlado por outro estado quântico ao qual não tenho acesso. Haverá alguma incerteza sobre suas propriedades e comportamento." O valor da entropia não será zero.
"É como se você tivesse um relacionamento próximo com alguém, e tudo o que essa pessoa faz afeta você e vice-versa. Isso significa que você não tem controle total sobre o que está acontecendo. É a mesma coisa no nível quântico." Kharzeev disse.
Para detectar esses emaranhados, os cientistas procuraram correlações entre qubits que representam partículas a várias distâncias do ponto de colisão. Kharzeev comparou os cálculos ao lançamento de dados e à medição da probabilidade de que o lançamento de um determinado número em um produzisse o mesmo número no outro.
"Com as partículas, você determina se uma partícula produzida em um ponto do espaço corresponde a outra no mesmo ponto do espaço no lado oposto da colisão. Se elas coincidirem uma vez, pode ser uma coincidência. Mas se você jogar o 'dados' um milhão de vezes, estudando milhões de eventos, e eles sempre mostram resultados idênticos, então você sabe que essas partículas estão correlacionadas ou emaranhadas", disse ele.
Os cientistas descobriram que as correlações quânticas entre os hádrons simulados existem e são bastante fortes. “Mas nas nossas simulações, vemos que as correlações desaparecem se a separação entre as partículas secundárias for grande”, disse ele.
As descobertas fornecem uma base para testar se o emaranhamento persiste e desaparece com o aumento da distância em experimentos no RHIC, no LHC e no futuro EIC.
Aproveitando ativos de computação
Embora os cientistas tenham escrito suas simulações usando código quântico, eles executaram os cálculos em um supercomputador clássico no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE.
“Por enquanto, você pode obter resultados muito significativos para um pequeno número de qubits, simulando seu comportamento em um computador clássico”, explicou Yu do CSI.
Kharzeev e Yu estão trabalhando com colaboradores da NVIDIA, a empresa que originalmente desenvolveu as unidades de processamento gráfico (GPUs) usadas nos supercomputadores mais poderosos da atualidade, para tornar os computadores clássicos ainda mais adequados para executar simulações quânticas.
“Você pode reorganizar as portas quânticas para otimizá-las para a realização de simulações quânticas”, disse Yu.
Mas mesmo esses computadores clássicos otimizados acabarão por atingir o pico quando o número de qubits necessários para simulações aumentar – como deve acontecer para rastrear a evolução de jatos por tempos mais longos em distâncias maiores, por exemplo.
Muitos esforços estão em andamento para melhorar o desempenho dos computadores quânticos, especialmente para melhorar a mitigação de erros. Kharzeev está participando deste trabalho como parte do Co-design Center for Quantum Advantage (C
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QA), um centro de pesquisa National Quantum Information Science (QIS) liderado pelo Brookhaven Lab.
“Muitas pessoas estão trabalhando para resolver os desafios da construção de computadores quânticos”, disse Kharzeev. “Estou confiante de que, num futuro próximo, seremos capazes de executar uma ampla variedade de simulações quânticas mais complexas nestas máquinas da próxima geração, usando o conhecimento que já adquirimos sobre interações quânticas para explorar ainda mais o comportamento de as partículas quânticas que compõem o nosso mundo."
