Tecnologia Científica

Um protocolo para explorar a dinâmica 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 exploração experimental podem agora ser examinadas em ambientes de laboratório.
Por Ingrid Fadelli - 12/03/2021


Dualidade espaço-tempo: a troca dos papéis do espaço e do tempo na dinâmica quântica 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 quânticos digitais. Esses sistemas físicos emergentes estão abrindo possibilidades sem precedentes para controlar e medir uma variedade de dinâmicas quânticas. 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 quânticas na dinâmica de muitos corpos. Em seu artigo, publicado na Physical Review Letters , eles apresentaram especificamente um protocolo que pode ser usado para realizar dinâmicas que incluem medições quânticas em computadores quânticos e simuladores quânticos, evitando uma etapa processual conhecida como pós-seleção.

"As medições têm um lugar especial na física quântica: elas fazem o sistema 'colapsar' abruptamente em um dos vários resultados de medição possíveis, escolhidos aleatoriamente", disse Matteo Ippoliti e Vedika Khemani, os dois pesquisadores que realizaram o estudo. org. "Por exemplo, pense no gato de Schrõdinger em uma 'superposição' de vivos e mortos em uma caixa - assim que a caixa é aberta, o estado do gato se transforma em vivo ou morto. Em contraste, sistemas quânticos que são 'deixados em paz' evoluem de forma determinística, também conhecida como dinâmica 'unitária'. "

Nos últimos anos, em parte motivados pelo progresso recente no desenvolvimento de dispositivos de computação quântica, muitos pesquisadores começaram a estudar a interação entre as medições quânticas e a dinâmica unitária de muitos corpos. Curiosamente, eles previram que os estados produzidos por esses dispositivos exibiriam um conjunto variado de novos fenômenos. Posteriormente, essas observações tornaram-se o foco de numerosos estudos teóricos.

"Do ponto de vista experimental, a aleatoriedade das medições quânticas representa um grande problema: para fazer o mesmo estado de forma confiável (necessário para medir suas propriedades ou para usá-lo em aplicações), deve-se replicar a mesma sequência aleatória de resultados de medição ao longo de e mais ", explicaram Ippoliti e Khemani. "Esta é uma ocorrência exponencialmente rara, como jogar uma moeda várias vezes e obter uma sequência direta de caras, e não é uma limitação técnica, mas sim uma consequência das regras básicas da mecânica quântica. Esse é o problema da 'pós-seleção'."

Para medir o emaranhamento em dinâmica não unitária, os pesquisadores teriam que repetir um experimento várias vezes para satisfazer esse requisito de 'pós-seleção', o que seria proibitivamente difícil. O objetivo principal do estudo realizado por Ippoliti e Khemani foi traçar uma estratégia que possibilitasse a realização experimental dessas dinâmicas sem a necessidade de pós-seleção. Eles propuseram que isso poderia ser alcançado trocando os papéis do espaço e do tempo, alavancando uma ideia conhecida como dualidade do espaço-tempo .
 
"Em termos simples, imagine ter um conjunto de bits quânticos (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 quântica. 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 unitária, o que significa essencialmente que inclui alguns elementos de medição. Esses elementos, no entanto, são totalmente determinísticos e podem ser reproduzidos de forma confiável e repetida. Essa característica crucial permitiu que eles traduzissem sua ideia em um protocolo para realizar e estudar a dinâmica de emaranhamento em simuladores quânticos.

"As ideias por trás de nosso estudo podem parecer muito abstratas, mas nós as traduzimos em um protocolo específico que pode ser executado nos atuais simuladores quânticos digitais", disseram Ippoliti e Khemani. "Isso cria uma rota direta para estudar experimentalmente esses novos tipos de dinâmica quântica envolvendo medições, ao mesmo tempo que traz algumas ideias teóricas empolgantes para mais perto da realização."

No futuro, o protocolo idealizado por Ippoliti e Khemani poderá abrir novas possibilidades para o estudo da dinâmica de emaranhamento em sistemas quânticos. Além disso, seu trabalho pode informar o desenvolvimento de novas estratégias para proteger as informações armazenadas em dispositivos quânticos existentes e recentemente desenvolvidos. A ideia de 'dualidade do espaço-tempo' introduzida por esses pesquisadores também poderia ser usada para estudar vários fenômenos físicos e dinâmicos associados a sistemas quânticos.

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

 

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