Simulador quântico visualiza emaranhamento em larga escala em materiais – Physics World

Simulador quântico visualiza emaranhamento em larga escala em materiais – Physics World

Carimbo de data / hora: 14 de dezembro de 2023 5h07

Ilustração artística mostrando uma lupa suspensa sobre uma superfície cinza de um material. Partículas coloridas – vermelho, azul, roxo e laranja, representando diferentes temperaturas – estão saindo do material e passando pela lupa
Quão emaranhado está? Os pesquisadores obtiveram perfis de temperatura de seu sistema mostrando que as partículas que interagem fortemente são “quentes” (vermelho) e aquelas que interagem pouco são “frias” (azul). O emaranhamento é maior quando as interações são fortes. (Cortesia: Helene Hainzer)

Físicos na Áustria encontraram uma maneira rápida e eficiente de extrair informações sobre a estrutura de emaranhamento em grande escala de um material quântico, graças a um teorema de 50 anos da teoria quântica de campos. O novo método poderá abrir portas em campos como a informação quântica, a química quântica ou mesmo a física de altas energias.

O emaranhamento quântico é um fenômeno pelo qual a informação contida em um conjunto de partículas é codificada em correlações entre elas. Esta informação não pode ser acessada sondando as partículas individualmente e é uma característica essencial da mecânica quântica, que distingue claramente o mundo quântico do mundo clássico. Além de ser fundamental para a computação quântica e a comunicação quântica, o emaranhamento influencia fortemente as propriedades de uma classe emergente de materiais exóticos. Uma compreensão mais profunda poderia, portanto, ajudar os cientistas a compreender e resolver problemas na ciência dos materiais, na física da matéria condensada e muito mais.

O problema é que aprender sobre o emaranhamento interno de um grande número de partículas emaranhadas é notoriamente difícil, uma vez que a complexidade das correlações aumenta exponencialmente com o número de partículas. Esta complexidade torna impossível para um computador clássico simular materiais feitos a partir de tais partículas. Os simuladores quânticos estão mais bem equipados para esta tarefa, pois podem representar a mesma complexidade exponencial do material alvo que estão simulando. No entanto, extrair as propriedades de emaranhamento de um material com técnicas padrão ainda requer um número intratável de medições.

Simulador quântico

Em seu novo e mais eficiente método para avaliar a força do emaranhamento de um sistema, pesquisadores da Universidade de Innsbruck e do vizinho Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) interpretaram a força do emaranhamento em termos de temperatura local. Embora regiões altamente emaranhadas do material quântico pareçam “quentes” neste método, regiões fracamente emaranhadas parecem “frias”. Crucialmente, a forma exata deste campo de temperatura variável localmente é prevista pela teoria quântica de campos, permitindo à equipe medir perfis de temperatura de forma mais eficiente do que era possível com métodos anteriores.

Para simular um material quântico emaranhado, a equipe Innsbruck-IQOQI usou um sistema de 51 40Ca+ íons mantidos no lugar dentro de uma câmara de vácuo pelo campo elétrico oscilante de um dispositivo chamado armadilha linear de Paul. Esta configuração permite que cada íon seja controlado individualmente e seu estado quântico lido com alta precisão. Os pesquisadores poderiam determinar rapidamente os perfis de temperatura corretos, colocando um ciclo de feedback entre o sistema e um computador (clássico) que gera constantemente novos perfis e os compara com as medições reais do experimento. Eles então fizeram medições para extrair propriedades como a energia do sistema. Por fim, investigaram a estrutura interna dos estados do sistema através do estudo dos perfis de “temperatura”, o que lhes permitiu determinar o emaranhamento.

Regiões quentes e frias

Os perfis de temperatura obtidos pela equipe mostram que regiões que estão fortemente correlacionadas com as partículas circundantes podem ser consideradas “quentes” (ou seja, altamente emaranhadas) e aquelas que interagem muito pouco podem ser consideradas “frias” (fracamente emaranhadas). Os pesquisadores também confirmaram, pela primeira vez, as previsões da teoria quântica de campos adaptada aos estados fundamentais (ou estados de baixa temperatura) dos materiais por meio do teorema de Bisognano-Wichmann, que foi apresentado pela primeira vez em 1975 como uma forma de relacionar certas transformações de Lorentz. no espaço-tempo para transformações de carga, paridade e tempo. Além disso, o método permitiu-lhes visualizar o cruzamento de estados fundamentais fracamente emaranhados para estados excitados fortemente emaranhados do material quântico.

Líder da equipe peter zoller, que ocupa cargos tanto em Innsbruck quanto no IQOQI, afirma que os resultados e as técnicas – protocolos quânticos executados em um simulador quântico – usados ​​para obtê-los são geralmente aplicáveis ​​à simulação de materiais quânticos. Por esta razão, ele acredita que eles têm ampla importância para a ciência e tecnologia da informação quântica, bem como para a simulação quântica. “Para experimentos futuros, gostaríamos de fazer isso com outras plataformas e sistemas de modelos mais complicados/interessantes”, diz ele. Mundo da Física. “Nossas ferramentas e técnicas são muito gerais.”

Marcelo Dalmonte, físico do Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica, na Itália, que não esteve envolvido na pesquisa, chama os resultados de “um verdadeiro inovador”. Na sua opinião, o método eleva a nossa compreensão experimentalmente testável do emaranhamento a um novo nível, revelando toda a sua complexidade. Ele também acredita que a técnica melhorará nossa compreensão da relação entre emaranhamento e fenômenos físicos, e está entusiasmado com a possibilidade de usá-la para resolver questões-chave da física teórica, como alcançar uma melhor compreensão da estrutura de emaranhamento de operadores para estados mistos. Outra área possível a explorar pode ser o entrelaçamento mútuo entre pedaços de matéria, embora Dalmonte acrescente que isto exigiria mais melhorias no protocolo, incluindo o aumento da sua escalabilidade.

A pesquisa é descrita em Natureza.

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