Uma equipe de teóricos qua¢nticos procurando curar um problema ba¡sico com computadores de recozimento qua¢ntico - eles precisam funcionar em um ritmo relativamente lento para operar adequadamente - em vez disso, encontrou algo intrigante. Enquanto investigava o desempenho dos recozedores qua¢nticos quando operados mais rápido do que o desejado, a equipe descobriu inesperadamente um novo efeito que pode ser responsável pela distribuição desequilibrada de matéria e antimatéria no universo e uma nova abordagem para separar isãotopos.

"Embora nossa descoberta não tenha curado a restrição de tempo de recozimento, ela trouxe uma classe de novos problemas de física que agora podem ser estudados com recozedores qua¢nticos sem exigir que sejam muito lentos", disse Nikolai Sinitsyn, um fa­sico tea³rico do Laborata³rio Nacional de Los Alamos. Sinitsyn éo autor do artigo publicado em 19 de fevereiro na Physical Review Letters , com os co-autores Bin Yan e Wojciech Zurek, ambos também de Los Alamos, e Vladimir Chernyak, da Wayne State University.

Significativamente, essa descoberta sugere como pelo menos dois problemas cienta­ficos famosos podem ser resolvidos no futuro. O primeiro éa aparente assimetria entre matéria e antimatéria no universo.

"Acreditamos que pequenas modificações em experimentos recentes com o recozimento qua¢ntico de qubits em interação feitos de a¡tomos ultracold em transições de fase sera£o suficientes para demonstrar nosso efeito", disse Sinitsyn.

Tanto a matéria quanto a antimatéria resultaram das excitações de energia que foram produzidas no nascimento do universo. A simetria entre como a matéria e a antimatéria interagem foi quebrada, mas muito fraca. Ainda não estãocompletamente claro como essa diferença sutil poderia levar ao grande doma­nio observado da matéria em comparação com a antimatéria na escala cosmola³gica.

O efeito recanãm-descoberto demonstra que tal assimetria éfisicamente possí­vel. Isso acontece quando um grande sistema qua¢ntico passa por uma transição de fase, ou seja, um rearranjo muito acentuado do estado qua¢ntico. Em tais circunsta¢ncias, interações fortes, mas simanãtricas, compensam aproximadamente umas a s outras. Então, diferenças sutis e persistentes podem desempenhar um papel decisivo.

Computadores de recozimento qua¢ntico são construa­dos para resolver problemas de otimização complexos, associando varia¡veis ​​a estados qua¢nticos ou qubits. Ao contra¡rio dos bits binários de um computador cla¡ssico, que são podem estar em um estado, ou valor, de 0 ou 1, os qubits podem estar em uma superposição qua¢ntica de valores intermediários. a‰ aa­ que todos os computadores qua¢nticos derivam seus incra­veis, embora ainda amplamente inexplorados, poderes.

Em um computador de recozimento qua¢ntico, os qubits são inicialmente preparados em um estado de energia mais baixa simples, aplicando um forte campo magnético externo. Este campo éentão lentamente desligado, enquanto as interações entre os qubits são lentamente ligadas.

"Idealmente, um recozedor funciona devagar o suficiente para funcionar com o ma­nimo de erros, mas por causa da decoeraªncia, énecessa¡rio rodar o recozedor mais rápido", explicou Yan. A equipe estudou o efeito emergente quando os recozedores são operados em uma velocidade mais rápida, o que os limita a um tempo de operação finito.

"De acordo com o teorema adiaba¡tico da meca¢nica qua¢ntica, se todas asmudanças forem muito lentas, chamadas de adiabaticamente lentas, os qubits devem sempre permanecer em seu estado de energia mais baixo", disse Sinitsyn. "Portanto, quando finalmente os medimos, encontramos a configuração desejada de 0s e 1s que minimiza a função de interesse, o que seria impossí­vel de obter com um computador cla¡ssico moderno."

No entanto, os recozedores qua¢nticos atualmente dispona­veis, como todos os computadores qua¢nticos atéagora, são prejudicados pelas interações de seus qubits com o ambiente circundante, o que causa descoeraªncia. Essas interações restringem o comportamento puramente qua¢ntico dos qubits a cerca de um milionanãsimo de segundo. Nesse período, os ca¡lculos devem ser rápidos - não-adiaba¡ticos - e as excitações de energia indesejadas alteram o estado qua¢ntico, introduzindo erros computacionais inevita¡veis.

A teoria Kibble-Zurek, co-desenvolvida por Wojciech Zurek, prevaª que a maioria dos erros ocorre quando os qubits encontram uma transição de fase, ou seja, um rearranjo muito acentuado de seu estado qua¢ntico coletivo.

Para este artigo, a equipe estudou um modelo soluciona¡vel conhecido em que qubits idaªnticos interagem apenas com seus vizinhos ao longo de uma cadeia; o modelo verifica a teoria Kibble-Zurek analiticamente. Na busca dos teóricos para curar o tempo de operação limitado em computadores de recozimento qua¢ntico, eles aumentaram a complexidade desse modelo, assumindo que os qubits poderiam ser particionados em dois grupos com interações idaªnticas dentro de cada grupo, mas interações ligeiramente diferentes para qubits de grupos diferentes.

Em tal mistura, eles descobriram um efeito incomum: um grupo ainda produziu uma grande quantidade de excitações de energia durante a passagem por uma transição de fase, mas o outro grupo permaneceu com o ma­nimo de energia como se o sistema não tivesse passado por uma transição de fase. .

“O modelo que usamos éaltamente simanãtrico para ser soluciona¡vel e encontramos uma maneira de estender o modelo, quebrando essa simetria e ainda resolvendo-a”, explicou Sinitsyn. “Então descobrimos que a teoria Kibble-Zurek sobreviveu, mas com uma distorção - metade dos qubits não dissipou energia e se comportou 'bem'. Em outras palavras, eles mantiveram seus estados ba¡sicos. "

Infelizmente, a outra metade dos qubits produziu muitos erros computacionais - portanto, nenhuma cura atéagora para uma passagem por uma transição de fase em computadores de recozimento qua¢ntico.

Outro problema de longa data que pode se beneficiar desse efeito éa separação de isãotopos. Por exemplo, o ura¢nio natural muitas vezes deve ser separado em isãotopos enriquecidos e empobrecidos, para que o ura¢nio enriquecido possa ser usado para fins de energia nuclear ou segurança nacional. O atual processo de separação écaro e consome muita energia. O efeito descoberto significa que, ao fazer uma mistura de a¡tomos ultrafrios em interação passar dinamicamente por uma transição de fase qua¢ntica, diferentes isãotopos podem ser excitados seletivamente ou não e, em seguida, separados usando a técnica de deflexa£o magnanãtica dispona­vel.