O emaranhamento é um fenômeno quântico no qual as propriedades de duas ou mais partículas tornam-se interligadas de tal forma que não podemos atribuir um estado definido a cada partícula individualmente. Em vez disso, é necessário considerar todas as partículas simultaneamente que compartilham um determinado estado. O emaranhamento das partículas, em última instância, determina as propriedades de um material.
“O emaranhamento de muitas partículas é a característica que faz a diferença”, afirma Christian Kokail, um dos primeiros autores do artigo publicado na Nature. “Ao mesmo tempo, no entanto, é muito difícil determinar.”
Os pesquisadores liderados por Peter Zoller na Universidade de Innsbruck e pelo Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências (ÖAW) apresentam agora uma nova abordagem que pode melhorar significativamente o estudo e a compreensão do emaranhamento em materiais quânticos.
Para descrever grandes sistemas quânticos e extrair informações sobre o emaranhamento existente, seria necessário realizar um número impossivelmente grande de medições. “Desenvolvemos uma descrição mais eficiente que nos permite extrair informações sobre o emaranhamento do sistema com um número drasticamente menor de medições”, explica o físico teórico Rick van Bijnen.
Simulador
Em um simulador quântico de armadilha de íons com 51 partículas, os cientistas imitaram um material real recriando-o partícula por partícula e estudando-o em um ambiente de laboratório controlado. Poucos grupos de pesquisa em todo o mundo têm o controle necessário sobre tantas partículas como os físicos experimentais de Innsbruck, liderados por Christian Roos e Rainer Blatt.
“O principal desafio técnico que enfrentamos aqui é como manter baixas as taxas de erro enquanto controlamos 51 íons presos em nossa armadilha e garantimos a viabilidade do controle e leitura individuais dos qubits”, explica o experimentalista Manoj Joshi.
No processo, os cientistas testemunharam pela primeira vez efeitos no experimento que anteriormente só haviam sido descritos teoricamente. “Aqui combinamos conhecimento e métodos que desenvolvemos cuidadosamente ao longo dos últimos anos. É impressionante ver que você pode realizar essas coisas com os recursos disponíveis hoje”, diz Kokail, que recentemente ingressou no Instituto de Física Atômica, Molecular e Óptica Teórica da Universidade de Harvard.
Em materiais quânticos, partículas podem apresentar entrelaçamento mais ou menos forte. Medidas em partículas fortemente entrelaçadas produzem resultados aleatórios, sendo denominadas “quentes” quando as medições flutuam muito e “frias” quando a probabilidade de um resultado específico aumenta. Somente a medição de todas as partículas entrelaçadas revela o estado exato.
Em sistemas com muitas partículas, o esforço para a medição aumenta consideravelmente. A teoria quântica de campo prevê que sub-regiões de um sistema com muitas partículas entrelaçadas podem ter um perfil de temperatura. Esses perfis podem ser usados para derivar o grau de entrelaçamento das partículas.
No simulador quântico de Innsbruck, esses perfis de temperatura são determinados por meio de um ciclo de feedback entre um computador e o sistema quântico. O computador gera constantemente novos perfis e os compara com as medições reais no experimento.
Os perfis de temperatura obtidos pelos pesquisadores mostram que partículas que interagem fortemente com o ambiente são “quentes”, enquanto aquelas que interagem pouco são “frias”.
“Isto está exatamente de acordo com as expectativas de que o entrelaçamento é particularmente grande onde a interação entre partículas é forte”, diz Kokail.
“Os métodos que desenvolvemos fornecem uma ferramenta poderosa para estudar o entrelaçamento em larga escala em materiais quânticos correlacionados. Isso abre portas para o estudo de uma nova classe de fenômenos físicos com simuladores quânticos que já estão disponíveis hoje”, afirma Zoller.
“Com computadores clássicos, tais simulações não podem mais ser computadas com esforço razoável.” Os métodos desenvolvidos em Innsbruck também serão usados para testar novas teorias nessas plataformas.
De acordo com Nature.
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