Adicione um pouco de creme ao seu café da manhã e nuvens de líquido branco girarão em torno de sua xícara. Mas espere alguns segundos e esses redemoinhos desaparecerão, deixando você com uma caneca comum de líquido marrom.



Algo semelhante acontece nos chips de computadores quânticos – dispositivos que exploram as estranhas propriedades do universo nas suas escalas mais pequenas – onde a informação pode rapidamente confundir-se, limitando as capacidades de memória destas ferramentas.

Não precisa ser assim, disse Rahul Nandkishore, professor associado de física da Universidade do Colorado em Boulder.

Num novo golpe para a física teórica, ele e os seus colegas usaram a matemática para mostrar que os cientistas poderiam criar, essencialmente, um cenário em que o leite e o café nunca se misturassem – por mais que os mexessemos.

As descobertas do grupo podem levar a novos avanços em chips de computadores quânticos, potencialmente fornecendo aos engenheiros novas maneiras de armazenar informações em objetos incrivelmente pequenos.

“Pense nos padrões iniciais de turbilhão que aparecem quando você adiciona creme ao café da manhã”, disse Nandkishore, autor sênior do novo estudo. “Imagine se esses padrões continuassem a girar e dançar, não importa quanto tempo você assistisse.”

Os pesquisadores ainda precisam realizar experimentos em laboratório para garantir que esses redemoinhos intermináveis ​​sejam realmente possíveis. Mas os resultados do grupo são um grande passo em frente para os físicos que procuram criar materiais que permanecem desequilibrados, ou em equilíbrio, por longos períodos de tempo – uma busca conhecida como “quebra da ergodicidade”.

As descobertas da equipe foram publicadas esta semana na última edição da Physical Review Letters .

Memória quântica

O estudo, que inclui os coautores David Stephen e Oliver Hart, pesquisadores de pós-doutorado em física na CU Boulder, depende de um problema comum na computação quântica.

Computadores normais funcionam com “bits”, que assumem a forma de zeros ou uns. Nandkishore explicou que os computadores quânticos, por outro lado, empregam “qubits”, que podem existir como zero, um ou, pela estranheza da física quântica, zero e um ao mesmo tempo. Os engenheiros criaram qubits a partir de uma ampla gama de coisas, incluindo átomos individuais presos por lasers ou pequenos dispositivos chamados supercondutores.

Mas, assim como aquela xícara de café, os qubits podem ser facilmente misturados. Se você inverter, por exemplo, todos os seus qubits para um, eles eventualmente irão alternar até que todo o chip se torne uma bagunça desorganizada.

Na nova pesquisa, Nandkishore e seus colegas podem ter descoberto uma maneira de contornar essa tendência à mistura. O grupo calculou que se os cientistas organizarem os qubits em padrões específicos, estes conjuntos reterão a sua informação – mesmo que sejam perturbados através de um campo magnético ou de uma perturbação semelhante. Isso poderia, disse o físico, permitir que os engenheiros construíssem dispositivos com uma espécie de memória quântica.

“Esta pode ser uma forma de armazenar informações”, disse ele. "Você escreveria informações nesses padrões e as informações não poderiam ser degradadas."

Aproveitando a geometria

No estudo, os pesquisadores usaram ferramentas de modelagem matemática para imaginar uma série de centenas a milhares de qubits dispostos em um padrão semelhante a um tabuleiro de xadrez.

O truque, eles descobriram, era colocar os qubits em uma situação apertada. Se os qubits se aproximarem o suficiente, explicou Nadkishore, eles podem influenciar o comportamento de seus vizinhos, quase como uma multidão tentando se espremer em uma cabine telefônica. Algumas dessas pessoas podem estar de pé ou de cabeça para baixo, mas não conseguem virar para o outro lado sem empurrar todos os outros.

Os pesquisadores calcularam que, se organizassem esses padrões da maneira correta, eles poderiam fluir em torno de um chip de computador quântico e nunca se degradar – assim como aquelas nuvens de creme girando para sempre em seu café.

“O que é maravilhoso neste estudo é que descobrimos que poderíamos compreender este fenómeno fundamental através do que é uma geometria quase simples”, disse Nandkishore.

As descobertas da equipe podem influenciar muito mais do que apenas computadores quânticos.

Nandkishore explicou que quase tudo no universo, desde xícaras de café até vastos oceanos, tende a se mover em direção ao que os cientistas chamam de “equilíbrio térmico”. Se você colocar um cubo de gelo em sua caneca, por exemplo, o calor do café derreterá o gelo, formando um líquido com temperatura uniforme.

As suas novas descobertas, no entanto, juntam-se a um crescente corpo de investigação que sugere que algumas pequenas organizações de matéria podem resistir a esse equilíbrio – aparentemente quebrando algumas das leis mais imutáveis ​​do universo.

“Não teremos que refazer nossas contas para gelo e água”, disse Nandkishore. "O campo da matemática que chamamos de física estatística é incrivelmente bem-sucedido para descrever coisas que encontramos na vida cotidiana. Mas há ambientes onde talvez isso não se aplique."

Mais informações: David T. Stephen et al, Quebra de ergodicidade comprovadamente robusta para perturbações arbitrárias, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.040401. NoarXiv :DOI:10.48550/arxiv.2209.03966
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

Fornecido pela Universidade do Colorado em Boulder