Criar um computador quântico poderoso o suficiente para resolver problemas que não podemos resolver com os computadores atuais continua sendo um grande desafio para os físicos quânticos. Um simulador quântico que funcione bem – um tipo específico de computador quântico – poderia levar a novas descobertas sobre como o mundo funciona nas menores escalas.



A cientista quântica Natalia Chepiga, da Delft University of Technology, desenvolveu um guia sobre como atualizar essas máquinas para que possam simular sistemas quânticos ainda mais complexos. O estudo está agora publicado em Physical Review Letters .

“A criação de computadores quânticos e simuladores quânticos úteis é um dos temas mais importantes e debatidos na ciência quântica atualmente, com potencial para revolucionar a sociedade”, afirma a pesquisadora Natalia Chepiga. Simuladores quânticos são um tipo de computador quântico. Chepiga explica:"Os simuladores quânticos destinam-se a resolver problemas abertos da física quântica para levar ainda mais longe a nossa compreensão da natureza. Os computadores quânticos terão amplas aplicações em várias áreas da vida social, por exemplo, em finanças, criptografia e armazenamento de dados."

Volante

“Um ingrediente chave de um simulador quântico útil é a possibilidade de controlá-lo ou manipulá-lo”, diz Chepiga. "Imagine um carro sem volante. Ele só pode avançar, mas não pode virar. É útil? Somente se você precisar ir em uma direção específica; caso contrário, a resposta será 'não!'. Se quisermos criar um computador quântico que será capaz de descobrir novos fenômenos físicos em um futuro próximo, precisamos construir um 'volante' para sintonizar o que parece interessante. No meu artigo, proponho um protocolo que crie um simulador quântico totalmente controlável."

O protocolo é uma receita – um conjunto de ingredientes que um simulador quântico deve ter para ser ajustável. Na configuração convencional de um simulador quântico, os átomos de rubídio (Rb) ou césio (Cs) são direcionados por um único laser. Como resultado, estas partículas irão absorver electrões e assim tornar-se-ão mais energéticas; eles ficam entusiasmados.

“Eu mostro que se usássemos dois lasers com frequências ou cores diferentes, excitando assim esses átomos para estados diferentes, poderíamos ajustar os simuladores quânticos para muitas configurações diferentes”, explica Chepiga.

O protocolo oferece uma dimensão adicional do que pode ser simulado. “Imagine que você viu um cubo apenas como um esboço em um pedaço de papel plano, mas agora você tem um cubo 3D real que pode tocar, girar e explorar de diferentes maneiras”, continua Chepiga. "Teoricamente, podemos adicionar ainda mais dimensões trazendo mais lasers."

Simulando muitas partículas

“O comportamento coletivo de um sistema quântico com muitas partículas é extremamente difícil de simular”, explica Chepiga. "Além de algumas dezenas de partículas, a modelagem com nosso computador normal ou supercomputador depende de aproximações." Ao levar em conta a interação de mais partículas, temperatura e movimento, há simplesmente muitos cálculos para realizar no computador.

Os simuladores quânticos são compostos por partículas quânticas, o que significa que os componentes estão emaranhados. “O emaranhamento é algum tipo de informação mútua que as partículas quânticas compartilham entre si. É uma propriedade intrínseca do simulador e, portanto, permite superar esse gargalo computacional”.

Mais informações: Natalia Chepiga, Criticalidade quântica ajustável em matrizes Rydberg multicomponentes, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076505. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.12838
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Delft