Uma equipe de teóricos quânticos procurando curar um problema básico com computadores de recozimento quântico - eles precisam funcionar em um ritmo relativamente lento para operar adequadamente - em vez disso, encontrou algo intrigante. Enquanto investigava o desempenho dos recozedores quânticos 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 isótopos.

"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 quânticos sem exigir que sejam muito lentos", disse Nikolai Sinitsyn, um físico teórico do Laboratório Nacional de Los Alamos. Sinitsyn é o 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 científicos famosos podem ser resolvidos no futuro. O primeiro é a aparente assimetria entre matéria e antimatéria no universo.

"Acreditamos que pequenas modificações em experimentos recentes com o recozimento quântico de qubits em interação feitos de átomos ultracold em transições de fase serão 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 está completamente claro como essa diferença sutil poderia levar ao grande domínio observado da matéria em comparação com a antimatéria na escala cosmológica.

O efeito recém-descoberto demonstra que tal assimetria é fisicamente possível. Isso acontece quando um grande sistema quântico passa por uma transição de fase, ou seja, um rearranjo muito acentuado do estado quântico. Em tais circunstâncias, interações fortes, mas simétricas, compensam aproximadamente umas às outras. Então, diferenças sutis e persistentes podem desempenhar um papel decisivo.

Computadores de recozimento quântico são construídos para resolver problemas de otimização complexos, associando variáveis ​​a estados quânticos ou qubits. Ao contrário dos bits binários de um computador clássico, que só podem estar em um estado, ou valor, de 0 ou 1, os qubits podem estar em uma superposição quântica de valores intermediários. É aí que todos os computadores quânticos derivam seus incríveis, embora ainda amplamente inexplorados, poderes.

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

"Idealmente, um recozedor funciona devagar o suficiente para funcionar com o mínimo de erros, mas por causa da decoerência, é necessário 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 adiabático da mecânica quântica, se todas as mudanças 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 clássico moderno."

No entanto, os recozedores quânticos atualmente disponíveis, como todos os computadores quânticos até agora, são prejudicados pelas interações de seus qubits com o ambiente circundante, o que causa descoerência. Essas interações restringem o comportamento puramente quântico dos qubits a cerca de um milionésimo de segundo. Nesse período, os cálculos devem ser rápidos - não-adiabáticos - e as excitações de energia indesejadas alteram o estado quântico, introduzindo erros computacionais inevitáveis.

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

Para este artigo, a equipe estudou um modelo solucionável conhecido em que qubits idênticos 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 quântico, eles aumentaram a complexidade desse modelo, assumindo que os qubits poderiam ser particionados em dois grupos com interações idênticas 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 mínimo de energia como se o sistema não tivesse passado por uma transição de fase. .

“O modelo que usamos é altamente simétrico para ser solucionável 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 básicos. "

Infelizmente, a outra metade dos qubits produziu muitos erros computacionais - portanto, nenhuma cura até agora para uma passagem por uma transição de fase em computadores de recozimento quântico.

Outro problema de longa data que pode se beneficiar desse efeito é a separação de isótopos. Por exemplo, o urânio natural muitas vezes deve ser separado em isótopos enriquecidos e empobrecidos, para que o urânio enriquecido possa ser usado para fins de energia nuclear ou segurança nacional. O atual processo de separação é caro e consome muita energia. O efeito descoberto significa que, ao fazer uma mistura de átomos ultrafrios em interação passar dinamicamente por uma transição de fase quântica, diferentes isótopos podem ser excitados seletivamente ou não e, em seguida, separados usando a técnica de deflexão magnética disponível.