Tecnologia Científica

Um protocolo para explorar a dina¢mica de emaranhamento via dualidade do Espaço-tempo
Algumas questões fundamentais na física de muitos corpos que antes seriam consideradas especulativas e fora do reino da exploraça£o experimental podem agora ser examinadas em ambientes de laboratório.
Por Ingrid Fadelli - 12/03/2021


Dualidade Espaço-tempo: a troca dos papanãis do espaço e do tempo na dina¢mica qua¢ntica simula o efeito do monitoramento por um observador externo. Crédito: Ippoliti e Khemani.

Nos últimos anos, houve avanços significativos no desenvolvimento de computadores e simuladores qua¢nticos digitais. Esses sistemas fa­sicos emergentes estãoabrindo possibilidades sem precedentes para controlar e medir uma variedade de dina¢micas qua¢nticas. Como resultado, algumas questões fundamentais na física de muitos corpos que antes seriam consideradas especulativas e fora do reino da exploração experimental podem agora ser examinadas em ambientes de laboratório.

Pesquisadores da Universidade de Stanford realizaram recentemente um estudo explorando o papel das medições qua¢nticas na dina¢mica de muitos corpos. Em seu artigo, publicado na Physical Review Letters , eles apresentaram especificamente um protocolo que pode ser usado para realizar dina¢micas que incluem medições qua¢nticas em computadores qua¢nticos e simuladores qua¢nticos, evitando uma etapa processual conhecida como pa³s-seleção.

"As medições tem um lugar especial na física qua¢ntica: elas fazem o sistema 'colapsar' abruptamente em um dos vários resultados de medição possa­veis, escolhidos aleatoriamente", disse Matteo Ippoliti e Vedika Khemani, os dois pesquisadores que realizaram o estudo. org. "Por exemplo, pense no gato de Schraµdinger em uma 'superposição' de vivos e mortos em uma caixa - assim que a caixa éaberta, o estado do gato se transforma em vivo ou morto. Em contraste, sistemas qua¢nticos que são 'deixados em paz' evoluem de forma determina­stica, também conhecida como dina¢mica 'unita¡ria'. "

Nos últimos anos, em parte motivados pelo progresso recente no desenvolvimento de dispositivos de computação qua¢ntica, muitos pesquisadores começam a estudar a interação entre as medições qua¢nticas e a dina¢mica unita¡ria de muitos corpos. Curiosamente, eles previram que os estados produzidos por esses dispositivos exibiriam um conjunto variado de novos fena´menos. Posteriormente, essas observações tornaram-se o foco de numerosos estudos teóricos.

"Do ponto de vista experimental, a aleatoriedade das medições qua¢nticas representa um grande problema: para fazer o mesmo estado de forma confia¡vel (necessa¡rio para medir suas propriedades ou para usa¡-lo em aplicações), deve-se replicar a mesma sequaªncia aleata³ria de resultados de medição ao longo de e mais ", explicaram Ippoliti e Khemani. "Esta éuma ocorraªncia exponencialmente rara, como jogar uma moeda várias vezes e obter uma sequaªncia direta de caras, e não éuma limitação técnica, mas sim uma consequaªncia das regras ba¡sicas da meca¢nica qua¢ntica. Esse éo problema da 'pa³s-seleção'."

Para medir o emaranhamento em dina¢mica não unita¡ria, os pesquisadores teriam que repetir um experimento várias vezes para satisfazer esse requisito de 'pa³s-seleção', o que seria proibitivamente difa­cil. O objetivo principal do estudo realizado por Ippoliti e Khemani foi trazr uma estratanãgia que possibilitasse a realização experimental dessas dina¢micas sem a necessidade de pa³s-seleção. Eles propuseram que isso poderia ser alcana§ado trocando os papanãis do espaço e do tempo, alavancando uma ideia conhecida como dualidade do Espaço-tempo .
 
"Em termos simples, imagine ter um conjunto de bits qua¢nticos (qubits) em seu laboratório, dispostos em uma linha, nas posições um, dois, etc.", disseram Ippoliti e Khemani. "Eles podem ser feitos para interagir com seus vizinhos e, assim, evoluir no tempo, descrevendo uma computação qua¢ntica. Agora imagine um sistema 'virtual' que existe na direção do tempo do laboratório e evolui na direção do espaço - movendo-se do qubit um para dois no laboratório significa desenvolver este sistema virtual por uma unidade de tempo, etc. "

A 'evolução virtual' do sistema examinado pelos investigadores revelou-se não unita¡ria, o que significa essencialmente que inclui alguns elementos de medição. Esses elementos, no entanto, são totalmente determina­sticos e podem ser reproduzidos de forma confia¡vel e repetida. Essa caracterí­stica crucial permitiu que eles traduzissem sua ideia em um protocolo para realizar e estudar a dina¢mica de emaranhamento em simuladores qua¢nticos.

"As ideias por trás de nosso estudo podem parecer muito abstratas, mas nosas traduzimos em um protocolo especa­fico que pode ser executado nos atuais simuladores qua¢nticos digitais", disseram Ippoliti e Khemani. "Isso cria uma rota direta para estudar experimentalmente esses novos tipos de dina¢mica qua¢ntica envolvendo medições, ao mesmo tempo que traz algumas ideias tea³ricas empolgantes para mais perto da realização."

No futuro, o protocolo idealizado por Ippoliti e Khemani podera¡ abrir novas possibilidades para o estudo da dina¢mica de emaranhamento em sistemas qua¢nticos. Além disso, seu trabalho pode informar o desenvolvimento de novas estratanãgias para proteger as informações armazenadas em dispositivos qua¢nticos existentes e recentemente desenvolvidos. A ideia de 'dualidade do Espaço-tempo' introduzida por esses pesquisadores também poderia ser usada para estudar vários fena´menos fa­sicos e dina¢micos associados a sistemas qua¢nticos.

“No momento, estamos explorando os tipos de estados interessantes que podem ser preparados dessa forma e como eles podem se conectar a s fases da matéria qua¢ntica que conhecemos”, acrescentaram Ippoliti e Khemani. “De uma forma mais geral, a nossa investigação seráinformada por esta nova era da computação qua¢ntica e da simulação, com dois objectivos: por um lado, descobrir novos fena³menos fundamentais possibilitados por este progresso tecnola³gico; por outro, perseguir novas ideias fundamentais que podem ser impactantes para as próprias tecnologias, particularmente novas maneiras de armazenar e manipular informações qua¢nticas informadas por dina¢mica. "

 

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