Essa máquina quântica parece contradizer o desejo de desordem do universo.

Um dos primeiros simuladores quânticos demonstrou um fenômeno misterioso: uma série de átomos que retornam periodicamente a um estado ordenado. Os físicos de corrida estão tentando explicar o que está acontecendo.

O derretimento do sorvete não está sujeito a congelamento espontâneo. No entanto, um dos simuladores quânticos retorna constantemente a um estado ordenado após o sistema atingir o equilíbrio.

Passará bastante tempo e, mesmo na sala mais arrumada, haverá uma bagunça. Roupas, livros e papéis deixarão seu estado ordenado e se espalharão pelo chão. E, irritantemente, essa tendência à desordem reflete uma lei da natureza: a desordem tende a crescer.

Se, por exemplo, você abrir o balão do mergulhador sob pressão, as moléculas de ar dentro dele voarão e se espalharão pela sala. Coloque um cubo de gelo em água quente, e as moléculas de água congeladas em uma treliça de cristal ordenada quebrarão suas ligações e se dispersarão. Quando misturado e distribuído, o sistema tende a se equilibrar com o meio ambiente, chamado termização.

Esse é um efeito comum e intuitivo que os físicos esperavam alinhar 51 átomos de rubídio seguidos e mantê-los no lugar com lasers. Os átomos começaram com uma estrutura ordenada e alternaram entre o estado "terra" com energia mínima e o estado excitado. Os pesquisadores sugeriram que esse sistema se tornasse rapidamente térmico: a alternância entre o solo e os estados excitados se acalmam quase imediatamente na forma de uma sequência aleatória.

No começo, as seqüências ficaram confusas. Mas então, para surpresa dos cientistas, eles retornaram à sua sequência alternada original. Após mistura adicional, os átomos retornaram à sua configuração original. Os estados se alternavam com uma frequência várias vezes por microssegundo - muito tempo depois que o sistema precisou ser térmico.

Tudo parecia que você jogou um cubo de gelo na água quente e não derreteu, disse Mikhail Lukin , físico da Universidade de Harvard e líder de um grupo de cientistas. "Vemos o gelo derreter e depois cristalizar, depois derreter e cristalizar novamente", disse ele. "Isso é algo muito incomum."

Os físicos chamam esse comportamento estranho de "cicatrização quântica de múltiplas partículas". Os átomos, aparentemente, carregam a marca do passado, como se algum tipo de cicatriz, o que os faz retornar à configuração original repetidas vezes.

Nos 16 meses desde a publicação do trabalho na revista Nature, vários grupos de físicos tentaram entender a natureza dessas cicatrizes quânticas. Alguns acreditam que essa descoberta pode abrir uma nova categoria de interação e comportamento de partículas quânticas, negando as suposições dos físicos de que esse sistema está inexoravelmente se movendo em direção à termização. Além disso, o efeito de cicatrização pode levar à criação de novos tipos de bits quânticos de armazenamento de longo prazo, que são os principais ingredientes de futuros computadores quânticos.

Superando a probabilidade zero

Os físicos, de fato, ao construir um sistema de 51 átomos, tinham em mente cálculos quânticos. Este sistema foi concebido como um simulador quântico, uma máquina projetada para simular processos quânticos que não podem ser investigados por outros métodos usando um computador clássico. Ao mesmo tempo, este sistema foi o maior simulador quântico de todos.

Átomos da máquina de Harvard servem como qubits, e seus estados, básicos ou excitados, são chamados de estados de Rydberg . Os pesquisadores podem ajustar o sistema alterando, por exemplo, a força da interação dos átomos entre si.

Os pesquisadores prepararam várias seqüências iniciais do solo e estados excitados de átomos. Como os átomos interagem ativamente entre si, eles devem chegar à termização. Mas, em vez de interações semelhantes a moléculas em um gás, os átomos desse sistema quântico produzem um tipo de ligação quântica profunda, conhecida como entrelaçamento. "E então a confusão se espalha", disse Lukin. "É assim que a termização acontece."


Mikhail Lukin

E geralmente a complexidade do simulador aumentava. No entanto, quando os pesquisadores iniciaram o experimento, organizando os átomos em uma seqüência de estados excitados e fundamentais alternados, as partículas primeiro se entrelaçaram e depois o perderam, oscilando para frente e para trás a partir da configuração original.

Tal comportamento parecia improvável, à beira do impossível. Depois que os átomos começam a interagir, sua sequência alternada deve ser esquecida muito rapidamente, uma vez que os átomos podem entrar em um grande número de possíveis sequências de estados excitados e fundamentais. É semelhante ao exemplo de um cilindro, moléculas de ar a partir das quais deixam a configuração original e se propagam pela sala. Para sua distribuição, há um grande número de lugares, portanto a probabilidade de todos eles acidentalmente serem pressionados de volta ao contêiner é praticamente zero.

"Um sistema quântico pode existir em tantos estados possíveis que seria extremamente difícil retornar ao original", disse Zlatko Papich , físico da Universidade de Leeds, na Inglaterra.

No entanto, Lukin diz que é isso que eles observaram. O sistema é dotado de algum tipo de física especial, permitindo que ele volte por seu próprio caminho, disse Papich. "Ela deixa para trás uma trilha de migalhas de pão e volta ao início do caminho."

"Esta é a primeira descoberta real feita com uma máquina quântica", disse Lukin.

Lukin e colegas começaram a descrever o experimento, mas antes da publicação do trabalho, Lukin o descreveu em uma conferência no Trieste italiano em julho de 2017. "Não sabíamos como entender isso", disse Papich, que estava na platéia naquele dia. "Não acho que nenhum dos presentes tenha idéias para explicar os motivos disso."

Cicatrizes no estádio

Logo, porém, Papich e colegas perceberam que esse comportamento se assemelha a um fenômeno descoberto cerca de 30 anos atrás. Nos anos 80, o físico Eric Geller, de Harvard, estudou o caos quântico: o que aconteceria se a mecânica quântica fosse aplicada a sistemas caóticos? Em particular, Geller examinou o movimento de bolas dentro do " Estádio Bunimovich " - uma mesa retangular com cantos arredondados. O sistema é caótico; por um tempo suficientemente longo, a bola passará por todas as trajetórias possíveis dentro do estádio . Mas se você lançar a bola em um determinado ângulo, ela seguirá para sempre o mesmo caminho.

Em um experimento mental, Geller substituiu a bola por uma partícula quântica. "A expectativa ingênua é que, se nosso sistema clássico já estiver caótico", disse Papich, depois de adicionar as regras da mecânica quântica, "podemos esperar um comportamento ainda mais caótico". A função de onda de uma partícula - um pacote matemático abstrato de suas propriedades quânticas - deve ser manchada ao redor do estádio, à medida que as ondas se propagam pela lagoa. A probabilidade de encontrar uma partícula em um local específico no estádio deve ser igual para todos os seus pontos.


Uma partícula colocada em um estádio de Bunimovich pode mostrar cicatrizes, trajetórias em que a probabilidade de sua detecção é alta

No entanto, Geller descobriu que a função de onda não se espalha uniformemente, mas se acumula em caminhos que repetem a trajetória do exemplo clássico, ao longo do qual a bola se move infinitamente. Como se as ondas gerassem uma lembrança dessa trajetória específica. "É como um caminho de casa para as ondas", disse Geller. "Eles querem voltar ao seu local de nascimento." Tão simples.

Sendo nessa trajetória, a função de onda de partículas interfere construtivamente consigo mesma, adicionando picos a picos e diminuindo a mergulhos. Como resultado, é mais provável que a partícula esteja em algum lugar ao longo do caminho. No gráfico, a distribuição de probabilidade se assemelha a uma versão borrada das trajetórias periódicas clássicas. "Eles me parecem cicatrizes", disse Geller. Portanto, em seu trabalho em 1984, ele os chamou assim.

Talvez um fenômeno semelhante possa ser explicado pelo fato de um sistema de 51 átomos estar retornando à sua configuração original, pensou Papich. Talvez ela também sinta falta da casa.

Cicatriz deixando incisão

Para descobrir, Papich e colegas analisaram os estados quânticos do modelo de sistema de 51 átomos. Eles descobriram que seu estranho comportamento oscilatório realmente lembrava as cicatrizes quânticas de Geller. Eles identificaram condições que se assemelhavam aos casos especiais que correspondiam às trajetórias das cicatrizes. Ao retornar periodicamente a esses estados, o sistema poderia evitar a termização. A conexão com a cicatrização quântica foi forte o suficiente para que, no trabalho do último ano, publicado na revista Nature Physics, eles denominassem esse fenômeno de "cicatrização quântica de múltiplas partículas".

Apesar do ceticismo inicial causado pela análise de Papich, Lukin, assim como Wen Wei Ho , físico de Harvard e outros, estabeleceram uma conexão mais forte com cicatrizes quânticas em um artigo publicado em janeiro. Eles determinaram uma maneira clássica de descrever o estado de um sistema atômico 51 como um ponto no espaço abstrato. Com uma mudança no estado do sistema, um ponto se move no espaço. Os pesquisadores descobriram que, quando o sistema experimenta suas estranhas vibrações, o ponto oscila como uma bola em uma trajetória periódica especial colocada ao longo da mesa de bilhar do estádio.


Uma configuração experimental na qual os pesquisadores criaram um simulador quântico

Encontrando uma analogia clássica, os pesquisadores reforçaram a alegação de que o fenômeno de uma única partícula de Heller é aplicável a um sistema de muitas partículas. "Esses caras obviamente encontraram algo", disse Geller. "Definitivamente."

Uma coisa é clara - esse experimento despertou o interesse de pesquisadores de todo o mundo. Um grupo do Instituto de Tecnologia da Califórnia identificou expressões matemáticas para alguns dos estados especiais do sistema de 51 átomos. Outro, de Princeton, sugeriu que as cicatrizes poderiam fazer parte de um fenômeno mais geral aplicável em vários campos da física da matéria condensada. "Acreditamos que parecemos entender o que está acontecendo neste sistema", disse Ho. "No entanto, ainda não temos um método generalizado para procurar outras trajetórias - cicatrizes".

Questões mais profundas permanecem. "Cicatrizes são uma descrição útil do problema", disse Vedika Kemani , físico de Harvard que não participou do experimento. "Mas não acho que tenhamos uma compreensão real do que leva à aparência deles".

Estrutura aleatória

Apesar de todas essas incógnitas, a cicatrização de muitas partículas é de grande interesse para os físicos, pois pode representar uma nova classe de sistemas quânticos.

Nos últimos anos, os físicos estudaram outra classe similar, a localização de múltiplas partículas, na qual falhas aleatórias impedem a termização do sistema. Como analogia, imagine um rebanho de vacas andando em um campo plano. As vacas eventualmente precisam se espalhar em lugares diferentes - vamos chamá-lo de termização da vaca. Mas se colinas aleatórias se encontrarem no campo, as vacas acabarão nas terras baixas.

Da mesma forma, o sistema de cicatrizes quânticas de muitas partículas não é um sistema caótico que busca se térmicaizar. Mas também não há colinas. "Este trabalho fala da existência de uma nova classe de sistemas localizados em algum lugar no meio", disse Papich.

Para explicar o efeito de cicatrização, uma nova análise de Kemani sugere que o sistema de 51 átomos pode ser um sistema integrável (ou se aproximar de um). Este é um caso especial e isolado de um sistema com muitas limitações e recursos ajustados para impedir sua termização. Portanto, se o sistema cicatricial for integrável, pode ser um caso único em uma classe mais ampla de fenômenos.

Os físicos estudam sistemas integráveis ​​há décadas e, se o sistema se tornar integrável, disse Papich, as consequências desse fato não serão tão interessantes como se esse sistema quântico fosse único. Papich, Ho e Lukin escreveram um artigo argumentando contra essa possibilidade.

Mas, independentemente de a cicatrização se tornar uma nova classe de comportamento quântico, essa descoberta aponta para a tentadora possibilidade de melhorar os computadores quânticos. Um dos problemas da criação de um computador quântico é a necessidade de proteger seus qubits frágeis. Qualquer perturbação ou perturbação do ambiente pode fazer com que os qubits se aqueçam e apagem qualquer informação armazenada neles, o que tornará o computador inútil. "Se conseguirmos encontrar uma maneira comum de introduzir cicatrizes em outros sistemas, poderemos proteger as informações quânticas por um longo tempo", disse Ho.

A cicatrização pode dar ao computador uma maneira de manter os dados armazenados, protegendo o passado do apagamento do caos da termização.

"Existe alguma estrutura bonita, de alguma forma preservada em um ambiente completamente aleatório", disse Papich. - Que física permite que esse processo funcione? "Esta é uma questão profunda e multifacetada, cobrindo muitas áreas da física, e esse efeito é uma de suas manifestações".