O emaranhamento é um fenômeno quântico onde as propriedades de duas ou mais partículas tornam-se interconectadas de tal forma que não é mais possível atribuir um estado definido a cada partícula individual. Em vez disso, temos de considerar todas as partículas que partilham um determinado estado de uma só vez. O emaranhado das partículas determina, em última análise, as propriedades de um material.



“O emaranhamento de muitas partículas é a característica que faz a diferença”, diz Christian Kokail, um dos primeiros autores do artigo publicado na Nature . "Ao mesmo tempo, porém, é muito difícil determinar."

Os pesquisadores liderados por Peter Zoller da Universidade de Innsbruck e do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências (ÖAW) fornecem agora uma nova abordagem que pode melhorar significativamente o estudo e a compreensão do emaranhamento em materiais quânticos. .

Para descrever grandes sistemas quânticos e extrair deles informações sobre o emaranhado existente, seria necessário ingenuamente realizar um número impossivelmente grande de medições. “Desenvolvemos uma descrição mais eficiente, que nos permite extrair informações de emaranhamento do sistema com drasticamente menos medições”, explica o físico teórico Rick van Bijnen.

Em um simulador quântico de armadilha de íons com 51 partículas, os cientistas imitaram um material real, recriando-o partícula por partícula e estudando-o em um ambiente de laboratório controlado. Muito poucos grupos de investigação em todo o mundo têm o controlo necessário de tantas partículas como os físicos experimentais de Innsbruck liderados por Christian Roos e Rainer Blatt.

“O principal desafio técnico que enfrentamos aqui é como manter baixas taxas de erro enquanto controlamos 51 íons presos em nossa armadilha e garantimos a viabilidade do controle e leitura individual de qubits”, explica o experimentalista Manoj Joshi.

No processo, os cientistas testemunharam pela primeira vez efeitos no experimento que anteriormente só haviam sido descritos teoricamente. "Aqui combinamos conhecimentos e métodos que trabalhamos meticulosamente juntos nos últimos anos. É impressionante ver que é possível fazer essas coisas com os recursos disponíveis hoje", diz Kokail, que recentemente ingressou no Institute for Theoretical Atomic Molecular e Física Óptica em Harvard.

Atalho através de perfis de temperatura

Em um material quântico, as partículas podem estar mais ou menos fortemente emaranhadas. As medições em uma partícula fortemente emaranhada produzem apenas resultados aleatórios. Se os resultados das medições flutuarem muito – isto é, se forem puramente aleatórios – então os cientistas se referem a isso como “quente”. Se a probabilidade de um determinado resultado aumentar, é um objeto quântico “frio”. Somente a medição de todos os objetos emaranhados revela o estado exato.

Em sistemas constituídos por muitas partículas, o esforço para a medição aumenta enormemente. A teoria quântica de campos previu que sub-regiões de um sistema de muitas partículas emaranhadas podem receber um perfil de temperatura. Esses perfis podem ser usados ​​para derivar o grau de emaranhamento das partículas.

No simulador quântico de Innsbruck, esses perfis de temperatura são determinados por meio de um ciclo de feedback entre um computador e o sistema quântico, com o computador gerando constantemente novos perfis e comparando-os com as medições reais do experimento.

Os perfis de temperatura obtidos pelos pesquisadores mostram que as partículas que interagem fortemente com o ambiente são “quentes” e as que interagem pouco são “frias”.

“Isto está exatamente de acordo com as expectativas de que o emaranhamento é particularmente grande onde a interação entre as partículas é forte”, diz Kokail.

“Os métodos que desenvolvemos fornecem uma ferramenta poderosa para estudar o emaranhamento em larga escala na matéria quântica correlacionada. Isso abre a porta para o estudo de uma nova classe de fenômenos físicos com simuladores quânticos que já estão disponíveis hoje”, diz Zoller.

"Com computadores clássicos, tais simulações não podem mais ser computadas com esforço razoável." Os métodos desenvolvidos em Innsbruck também serão usados ​​para testar novas teorias nessas plataformas.

Mais informações: Peter Zoller, Explorando o emaranhamento em larga escala na simulação quântica, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06768-0. www.nature.com/articles/s41586-023-06768-0
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Innsbruck