Existem diferentes ideias sobre como os computadores quânticos poderiam ser construídos. Mas todos eles têm uma coisa em comum:você usa um sistema físico quântico – por exemplo, átomos individuais – e muda seu estado, expondo-os a forças muito específicas por um tempo específico. No entanto, isso significa que, para poder contar com a operação da computação quântica para entregar o resultado correto, você precisa de um relógio o mais preciso possível.



Mas aqui você enfrenta problemas:a medição perfeita do tempo é impossível. Todo relógio possui duas propriedades fundamentais:uma certa precisão e uma certa resolução de tempo. A resolução de tempo indica quão pequenos são os intervalos de tempo que podem ser medidos – ou seja, a rapidez com que o relógio funciona. A precisão informa quanta imprecisão você deve esperar em cada tick.

A equipe de pesquisa conseguiu mostrar que, como nenhum relógio tem uma quantidade infinita de energia disponível (ou gera uma quantidade infinita de entropia), ele nunca poderá ter resolução e precisão perfeitas ao mesmo tempo. Isso estabelece limites fundamentais para as possibilidades dos computadores quânticos.

As etapas de cálculo quântico são como rotações

No nosso mundo clássico, as operações aritméticas perfeitas não são um problema. Por exemplo, você pode usar um ábaco no qual bolas de madeira são enfiadas em uma vara e empurradas para frente e para trás. As contas de madeira têm estados claros, cada uma está em um local bem específico, se você não fizer nada a conta ficará exatamente onde estava.

E mover a conta rapidamente ou lentamente não afeta o resultado. Mas na física quântica é mais complicado.

“Matematicamente falando, mudar um estado quântico em um computador quântico corresponde a uma rotação em dimensões superiores”, diz Jake Xuereb, do Instituto Atômico da Universidade de Tecnologia de Viena, na equipe de Marcus Huber e primeiro autor do primeiro artigo publicado em Cartas de revisão física . "Para atingir o estado desejado no final, a rotação deve ser aplicada por um período de tempo muito específico. Caso contrário, você altera o estado para muito curto ou muito longe."

Entropia:o tempo torna tudo cada vez mais confuso

Marcus Huber e sua equipe investigaram em geral quais leis devem sempre ser aplicadas a todos os relógios concebíveis. “A medição do tempo sempre tem a ver com entropia”, explica Marcus Huber. Em todo sistema físico fechado, a entropia aumenta e torna-se cada vez mais desordenada. É precisamente este desenvolvimento que determina a direção do tempo:o futuro é onde a entropia é mais elevada e o passado é onde a entropia é ainda mais baixa.

Como pode ser mostrado, cada medição do tempo está inevitavelmente associada a um aumento na entropia:um relógio, por exemplo, precisa de uma bateria, cuja energia é finalmente convertida em calor friccional e tique-taque audível através da mecânica do relógio – um processo no qual ocorre um estado bastante ordenado e a bateria é convertida em um estado bastante desordenado de radiação de calor e som.

Com base nisso, a equipe de pesquisa conseguiu criar um modelo matemático que basicamente todo relógio concebível deve obedecer. “Para um determinado aumento na entropia, há uma compensação entre resolução de tempo e precisão”, diz Florian Meier, primeiro autor do segundo artigo, agora publicado no arXiv servidor de pré-impressão. "Isso significa:ou o relógio funciona rápido ou funciona com precisão - ambos não são possíveis ao mesmo tempo."

Limites para computadores quânticos

Esta constatação traz agora consigo um limite natural para os computadores quânticos:a resolução e a precisão que podem ser alcançadas com os relógios limitam a velocidade e a fiabilidade que podem ser alcançadas com os computadores quânticos. “Não é um problema neste momento”, diz Huber.

“Atualmente, a precisão dos computadores quânticos ainda é limitada por outros fatores, por exemplo, a precisão dos componentes utilizados ou campos eletromagnéticos. Mas nossos cálculos também mostram que hoje não estamos longe do regime em que os limites fundamentais da medição do tempo desempenhar o papel decisivo."

Portanto, se a tecnologia de processamento de informação quântica for melhorada, será inevitavelmente necessário enfrentar o problema da medição do tempo não ideal. Mas quem sabe:talvez seja exatamente assim que possamos aprender algo interessante sobre o mundo quântico.

Mais informações: Florian Meier et al, Compromisso fundamental entre precisão e resolução para dispositivos de cronometragem, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2301.05173
Informações do diário: Cartas de revisão física , arXiv

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Viena