Físicos criam partículas indescritíveis que lembram seu passado

Quarenta anos atrás, Frank Wilczek estava refletindo sobre um tipo bizarro de partícula que só poderia viver em um universo plano. Se ele tivesse colocado a caneta no papel e feito os cálculos, Wilczek teria descoberto que essas partículas então teóricas continham uma memória sobrenatural de seu passado, uma tecida tão profundamente no tecido da realidade que qualquer perturbação poderia apagá-la.

No entanto, não vendo nenhuma razão para que a natureza permitisse a existência de animais tão estranhos, o futuro físico ganhador do prêmio Nobel optou por não seguir seus experimentos mentais até as conclusões mais bizarras - apesar das objeções de seu colaborador Anthony Zee, um renomado físico teórico da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara.

“Eu disse: 'Vamos, Tony, as pessoas vão tirar sarro de nós'”, disse Wilczek, agora professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

Outros não eram tão relutantes. Os pesquisadores gastaram milhões de dólares nas últimas três décadas tentando capturar e domar os objetos semelhantes a partículas, que atendem pelo apelido enigmático de qualquer pessoa não abeliana.

Agora, dois experimentos marcantes finalmente foram bem-sucedidos e ninguém está rindo. “Este era um alvo e agora foi atingido”, disse Wilczek.

Físicos que trabalham com a empresa Quantinuum anunciou hoje que eles usaram o recém-lançado processador H2 da próxima geração da empresa para sintetizar e manipular anyons não abelianos em uma nova fase da matéria quântica. O trabalho deles segue uma pré-impressão publicado no outono passado, no qual pesquisadores do Google celebraram o primeiro entrelaçamento claro de objetos não abelianos, uma prova de conceito de que as informações podem ser armazenadas e manipuladas em sua memória compartilhada. Juntos, os experimentos flexionam o crescente músculo dos dispositivos quânticos enquanto oferecem um vislumbre potencial do futuro da computação: ao manter registros quase indestrutíveis de suas jornadas no espaço e no tempo, qualquer pessoa não abeliana pode oferecer a plataforma mais promissora para a construção de sistemas tolerantes a erros. computadores quânticos.

“Como ciência pura, é apenas, uau”, disse Ady Stern, um teórico da matéria condensada do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, que passou sua carreira estudando os objetos. “Isso aproxima você [da computação quântica topológica]. Mas se há algo que as últimas décadas nos mostraram é uma estrada longa e sinuosa.”

Computação Plana

Em 1982, Wilczek ajudou a abrir as mentes dos físicos para o zoológico de partículas que poderiam existir em duas dimensões. Ele elaborou as consequências de confinar as leis quânticas a um universo hipotético inteiramente plano e descobriu que ele conteria partículas estranhas com spins e cargas fracionais. Além disso, a troca de partículas indistinguíveis poderia alterá-las de maneiras impossíveis para suas contrapartes tridimensionais. Wilczek atrevidamente nomeado essas partículas bidimensionais qualquer um, já que pareciam ser capazes de quase tudo.

Wilczek concentrou-se nos anyons “abelianos” mais simples, partículas que, quando trocadas, mudam de maneiras sutis que não são diretamente detectáveis.

Ele parou antes de explorar a opção mais selvagem – anyons não abelianos, partículas que compartilham uma memória. Trocar as posições de dois anyons não abelianos produz um efeito diretamente observável. Ele muda o estado de sua função de onda compartilhada, uma quantidade que descreve a natureza quântica de um sistema. Se você tropeçar em dois anyons não abelianos idênticos, medindo em que estado eles estão, você pode dizer se eles sempre estiveram nessas posições ou se eles se cruzaram – um poder que nenhuma outra partícula pode reivindicar.

Para Wilczek, essa noção parecia fantástica demais para se transformar em uma teoria formal. “Que tipos de estados da matéria suportam isso?” ele se lembra de ter pensado.

Mas em 1991, dois físicos identificou esses estados. Eles previram que, quando submetidos a campos magnéticos fortes o suficiente e temperaturas baixas o suficiente, os elétrons presos a uma superfície girariam juntos da maneira certa para formar anyons não abelianos. Os anyons não seriam partículas fundamentais – nosso mundo 3D proíbe isso – mas “quasipartículas.” Estas são coleções de partículas, mas é melhor considerá-las como unidades individuais. As quasipartículas têm localizações e comportamentos precisos, assim como coleções de moléculas de água produzem ondas e redemoinhos.

Em 1997, Alexei Kitaev, um teórico do California Institute of Technology, apontou que tais quasipartículas poderiam estabelecer a base perfeita para computadores quânticos. Os físicos há muito salivam com a possibilidade de aproveitar o mundo quântico para realizar cálculos além do alcance dos computadores típicos e seus bits binários. Mas os qubits, os blocos de construção atômicos dos computadores quânticos, são frágeis. Suas funções de onda entram em colapso ao menor toque, apagando suas memórias e sua capacidade de realizar cálculos quânticos. Essa fragilidade complicou ambições de controlar qubits por tempo suficiente para que eles concluíssem cálculos demorados.

Kitaev percebeu que a memória compartilhada de qualquer um não abeliano poderia servir como um qubit ideal. Para começar, era maleável. Você pode alterar o estado do qubit – transformando um zero em um – trocando as posições dos anyons de uma maneira conhecida como “trançamento”.

Você também pode ler o estado do qubit. Quando os anyons não abelianos mais simples são reunidos e “fundidos”, por exemplo, eles emitirão outra quasipartícula apenas se tiverem sido trançados. Esta quasipartícula serve como um registro físico de sua jornada cruzada através do espaço e do tempo.

E, crucialmente, a memória também é quase incorruptível. Enquanto os anyons forem mantidos distantes, cutucar qualquer partícula individual não mudará o estado em que o par está - seja zero ou um. Dessa forma, sua memória coletiva é efetivamente isolada da cacofonia do universo.

“Este seria o lugar perfeito para esconder informações”, disse Maissam Barkeshli, um teórico da matéria condensada da Universidade de Maryland.

Elétrons indisciplinados

A proposta de Kitaev ficou conhecida como computação quântica “topológica” porque se baseava na topologia das tranças. O termo refere-se a características gerais da trança - por exemplo, o número de voltas - que não são afetadas por nenhuma deformação específica de seu caminho. A maioria dos pesquisadores agora acredita que as tranças são o futuro da computação quântica, de uma forma ou de outra. A Microsoft, por exemplo, tem pesquisadores tentando persuadir elétrons a formar anyons não abelianos diretamente. A empresa já investiu milhões de dólares na construção de minúsculos fios que - em temperaturas suficientemente frias - devem hospedar as espécies mais simples de quasipartículas trançadas em suas pontas. A expectativa é que, nessas baixas temperaturas, os elétrons se reúnam naturalmente para formar anyons, que por sua vez podem ser trançados em qubits confiáveis.

Após uma década de esforços, porém, esses pesquisadores ainda estão lutando para provar que sua abordagem funcionará. Uma alegação espalhafatosa de 2018 de que eles finalmente detectaram o tipo mais simples de quasipartícula não abeliana, conhecida como “modos zero de Majorana”, foi seguida por uma retração de alto perfil semelhante em 2021. A empresa relatou novos progressos em um 2022 pré-impressão, mas poucos pesquisadores independentes esperam ver tranças bem-sucedidas em breve.

Esforços semelhantes para transformar elétrons em anyons não abelianos também pararam. Bob Willett, do Nokia Bell Labs, provavelmente vem o mais próximo em suas tentativas de encurralar elétrons em arsenieto de gálio, onde sinais promissores, mas sutis de tranças existem. Os dados são confusos, no entanto, e a temperatura ultrafria, os materiais ultrapuros e os campos magnéticos ultrafortes tornam o experimento difícil de reproduzir.

“Há uma longa história de não observar nada”, disse Eun Ah Kim da Cornell University.

Disputar elétrons, no entanto, não é a única maneira de fazer quasipartículas não abelianas.

“Desisti de tudo isso”, disse Kim, que passou anos criando maneiras de detectar qualquer pessoa como estudante de pós-graduação e agora colabora com o Google. “Depois vieram os simuladores quânticos.”

Qubits compatíveis

Os processadores quânticos estão mudando a busca por qualquer pessoa. Em vez de tentar persuadir hordas de elétrons a se alinharem, nos últimos anos os pesquisadores começaram a usar os dispositivos para dobrar qubits individuais à sua vontade. Alguns físicos consideram essas simulações de esforços, porque os qubits dentro do processador são abstrações de partículas (embora sua natureza física varie de laboratório para laboratório, você pode visualizá-los como partículas girando em torno de um eixo). Mas a natureza quântica dos qubits é real, então – simulações ou não – os processadores se tornaram playgrounds para experimentos topológicos.

“Isso dá vida nova” ao campo, disse Fiona Burnell, um teórico da matéria condensada da Universidade de Minnesota, “porque tem sido muito difícil fazer sistemas de estado sólido”.

Sintetizar qualquer um em processadores quânticos é uma maneira alternativa de aproveitar o poder das tranças de Kitaev: aceite que seus qubits são medíocres e corrija seus erros. Os qubits de má qualidade de hoje não funcionam por muito tempo, então qualquer um construído a partir deles também teria uma vida curta. O sonho é medir rápida e repetidamente grupos de qubits e corrigir erros à medida que eles surgem, estendendo assim o tempo de vida dos anyons. A medição apaga as informações quânticas de um qubit individual, colapsando sua função de onda e transformando-a em um bit clássico. Isso aconteceria aqui também, mas as informações importantes permaneceriam intocáveis ​​— escondidas no estado coletivo de muitos. Dessa forma, o Google e outras empresas esperam fortalecer os qubits com medições rápidas e correções rápidas (em oposição a baixas temperaturas).

"Desde Kitaev", disse Mike Zaletel, um físico de matéria condensada da Universidade da Califórnia, em Berkeley, “é assim que as pessoas pensam que a correção quântica de erros provavelmente funcionará”.

Google pegou um passo importante em direção à correção de erros quânticos na primavera de 2021, quando os pesquisadores reuniram cerca de duas dúzias de qubits na grade mais simples capaz de correção de erros quânticos, uma fase da matéria conhecida como código tórico.

Criar o código tórico no processador do Google equivale a forçar cada qubit a cooperar estritamente com seus vizinhos, cutucando-os suavemente com pulsos de micro-ondas. Deixado sem medição, um qubit aponta para uma superposição de muitas direções possíveis. O processador do Google reduziu efetivamente essas opções, fazendo com que cada qubit coordenasse seu eixo de rotação com seus quatro vizinhos de maneiras específicas. Embora o código tórico tenha propriedades topológicas que podem ser usadas para correção de erros quânticos, ele não hospeda nativamente quasipartículas não abelianas. Para isso, o Google teve que recorrer a um estranho truque conhecido há muito tempo para os teóricos: certas imperfeições na grade de qubits, apelidadas de “defeitos de torção”, podem adquirir magia não abeliana.

No outono passado, Kim e Yuri Lensky, um teórico da Cornell, juntamente com pesquisadores do Google, postaram uma receita para fazendo facilmente e pares trançados de defeitos no código tórico. Em uma pré-impressão postada logo depois, os experimentalistas do Google implementação relatada essa ideia, que envolvia cortar conexões entre qubits vizinhos. As falhas resultantes na grade qubit agiram exatamente como as espécies mais simples de quasipartículas não abelianas, os modos zero de Majorana da Microsoft.

“Minha reação inicial foi 'Uau, o Google acabou de simular o que a Microsoft está tentando construir. Foi um verdadeiro momento de flexão”, disse Tyler Ellison, um físico da Universidade de Yale.

Ajustando quais conexões eles cortaram, os pesquisadores puderam mover as deformações. Eles fizeram dois pares de defeitos não abelianos e, ao deslizá-los em torno de um tabuleiro de xadrez de cinco por cinco qubits, mal conseguiram fazer uma trança. Os pesquisadores se recusaram a comentar o experimento, que está sendo preparado para publicação, mas outros especialistas elogiaram a conquista.

“Em grande parte do meu trabalho, tenho rabiscado imagens de aparência semelhante”, disse Ellison. “É incrível ver que eles realmente demonstraram isso.”

Pintar por Medida

Enquanto isso, um grupo de teóricos liderados por Ashvin Vishwanath na Universidade de Harvard estava silenciosamente perseguindo o que muitos consideram um objetivo ainda mais elevado: criar uma fase mais complicada da matéria quântica onde verdadeiros anyons não abelianos - em oposição a defeitos - surgem nativamente em uma fase primitiva da matéria. “O defeito [do Google] é uma coisa infantil não abeliana”, disse Burnell, que não estava envolvido em nenhum dos esforços.

Qualquer pessoa de ambos os tipos vive em fases da matéria com uma natureza topológica definida por intrincadas tapeçarias de fios finos, conexões quânticas conhecidas como emaranhamento. As partículas emaranhadas se comportam de maneira coordenada e, quando trilhões de partículas se emaranham, elas podem ondular em fases complicadas, às vezes comparadas a danças. Em fases com ordem topológica, o emaranhamento organiza as partículas em loops de spins alinhados. Quando um loop é cortado, cada extremidade é um anyon.

A ordem topológica vem em dois sabores. Fases simples, como o código tórico, têm “ordem abeliana”. Lá, pontas soltas são anyons abelianos. Mas os pesquisadores que procuram verdadeiros não abelianos estão de olho em uma tapeçaria completamente diferente e muito mais complicada com a ordem não abeliana.

O grupo de Vishwanath ajudou a preparar um fase com ordem abeliana em 2021. Eles sonhavam em ir mais longe, mas costurar qubits em padrões de emaranhamento não abelianos provou ser muito complicado para os processadores instáveis ​​de hoje. Assim, a equipe vasculhou a literatura em busca de novas ideias.

Eles encontraram uma pista em um par of papéis de décadas antes. A maioria dos dispositivos quânticos calcula massageando seus qubits da mesma forma que alguém afofa um travesseiro, de uma maneira suave, onde nenhum enchimento sai pelas costuras. O entrelaçamento cuidadoso do emaranhado por meio dessas operações “unitárias” leva tempo. Mas no início dos anos 2000, Robert Raussendorf, um físico agora na University of British Columbia, encontrou um atalho. O segredo era cortar pedaços da função de onda usando medição – o processo que normalmente mata estados quânticos.

“É uma operação realmente violenta”, disse Ruben Verresen, um dos colaboradores de Vishwanath em Harvard.

Raussendorf e seus colaboradores detalharam como medições seletivas em certos qubits podem levar um estado não emaranhado e intencionalmente colocá-lo em um estado emaranhado, um processo que Verresen compara a cortar mármore para esculpir uma estátua.

A técnica tinha um lado sombrio que inicialmente condenou as tentativas dos pesquisadores de fazer fases não abelianas: a medição produz resultados aleatórios. Quando os teóricos visavam uma fase específica, as medições deixavam qualquer pessoa não abeliana manchada aleatoriamente, como se os pesquisadores estivessem tentando pintar a Mona Lisa espalhando tinta em uma tela. “Parecia uma dor de cabeça completa”, disse Verresen.

No final de 2021, o grupo de Vishwanath encontrou uma solução: esculpir a função de onda de uma grade qubit com várias rodadas de medição. Com a primeira rodada, eles transformaram uma fase chata da matéria em uma simples fase abeliana. Em seguida, eles alimentaram essa fase em uma segunda rodada de medições, esculpindo-a ainda mais em uma fase mais complicada. Ao jogar esse jogo topológico de cama de gato, eles perceberam que poderiam lidar com a aleatoriedade enquanto se moviam passo a passo, subindo uma escada de fases cada vez mais complicadas para alcançar uma fase com ordem não abeliana.

“Em vez de tentar medições aleatoriamente e ver o que obtém, você quer pular na paisagem das fases da matéria”, disse Verresen. É uma paisagem topológica que os teóricos apenas recentemente começou a entender.

No verão passado, o grupo colocou sua teoria à prova no processador de íons presos H1 da Quantinuum, um dos únicos dispositivos quânticos que podem realizar medições em tempo real. Assim como o grupo do Google, eles fez o código tórico abeliano e trançado seus defeitos não abelianos. Eles tentaram uma fase não abeliana, mas não conseguiram chegar lá com apenas 20 qubits.

Mas então um pesquisador da Quantinuum, Henrik Dreyer, chamou Verresen de lado. Depois de jurar segredo com um acordo de sigilo, ele disse a Verresen que a empresa tinha um dispositivo de segunda geração. Crucialmente, o H2 tinha 32 qubits. Foram necessários ajustes substanciais, mas a equipe conseguiu configurar a fase não abeliana mais simples em 27 desses qubits. “Se tivéssemos um ou dois qubits a menos, acho que não poderíamos ter feito isso”, disse Vishwanath.

Seus experimentos marcaram a primeira detecção inatacável de uma fase não abeliana da matéria. “Realizar uma ordem topológica não abeliana é algo que as pessoas desejam fazer há muito tempo”, disse Burnell. “Esse é definitivamente um marco importante.”

Seu trabalho culminou no trançamento de três pares de anyons não abelianos de forma que suas trajetórias através do espaço e do tempo formassem um padrão conhecido como anéis borromeanos, o primeiro trançado de anyons não abelianos. Três anéis borromeanos são inseparáveis ​​quando estão juntos, mas se você cortar um, os outros dois se desfarão.

“Existe uma espécie de fator genial”, disse Wilczek. “É preciso um enorme controle do mundo quântico para produzir esses objetos quânticos.”

The Big Chill

Enquanto outros físicos comemoram esses marcos, eles também enfatizam que o Google e o Quantinuum estão em uma corrida diferente de empresas como Microsoft e Willett. Criar fases topológicas em um processador quântico é como fazer o menor cubo de gelo do mundo empilhando algumas dezenas de moléculas de água – impressionante, dizem eles, mas não tão satisfatório quanto observar uma placa de gelo se formar naturalmente.

“A matemática subjacente é extremamente bonita e ser capaz de validá-la definitivamente vale a pena”, disse Chetan Nayak, um pesquisador da Microsoft que realizou um trabalho pioneiro em sistemas não abelianos. Mas, de sua parte, disse ele, ainda espera ver um sistema se estabelecer em um estado com esse tipo de padrão de emaranhamento intrincado por conta própria quando resfriado.

“Se isso fosse inequivocamente visto nos [experimentos de Willett], nossas mentes ficariam impressionadas”, disse Barkeshli. Vê-lo em um processador quântico “é legal, mas ninguém se impressiona”.

O aspecto mais empolgante desses experimentos, de acordo com Barkeshli, é sua importância para a computação quântica: os pesquisadores finalmente mostraram que podem produzir os ingredientes necessários, 26 anos após a proposta inicial de Kitaev. Agora eles só precisam descobrir como realmente colocá-los para trabalhar.

Um problema é que, como Pokémon, os anyons vêm em um número tremendo de espécies diferentes, cada uma com suas próprias forças e fraquezas. Alguns, por exemplo, têm memórias mais ricas de seu passado, tornando suas tranças mais poderosas computacionalmente. Mas persuadi-los a existir é mais difícil. Qualquer esquema específico terá que pesar essas compensações, muitas das quais ainda não são compreendidas.

“Agora que temos a capacidade de fazer diferentes tipos de ordem topológica, essas coisas se tornam reais e você pode falar sobre essas compensações em termos mais concretos”, disse Vishwanath.

O próximo marco será a correção de erros reais, que nem o Google nem o Quantinuum tentaram. Seus qubits trançados estavam ocultos, mas não protegidos, o que exigiria a medição dos qubits subjacentes e a correção rápida de seus erros em tempo real. Essa demonstração seria um divisor de águas na computação quântica, mas ainda faltam anos – se é que é possível.

Até então, os otimistas esperam que esses experimentos recentes lancem um ciclo em que computadores quânticos mais avançados levem a um melhor comando sobre quasipartículas não abelianas, e esse controle, por sua vez, ajude os físicos a desenvolver dispositivos quânticos mais capazes.

“Apenas trazer à tona o poder da medição”, disse Wilczek, “isso é algo que pode mudar o jogo”.