Os simuladores quânticos são uma ferramenta de pesquisa completamente nova: a física quântica é estudada por outros tipos de física quântica. Equipas de investigação de Innsbruck e Viena estão a desenvolver um novo método que permitirá que esta nova tecnologia seja verificada de forma fiável.
A física quântica é um campo muito diversificado: descreve colisões de partículas logo após o Big Bang, bem como elétrons em materiais sólidos ou átomos distantes no espaço. Mas nem todos os objetos quânticos são igualmente fáceis de estudar. Para alguns – como o universo primitivo – experimentos diretos não são de todo possíveis. No entanto, em muitos casos, simuladores quânticos podem ser usados: um sistema quântico (por exemplo, uma nuvem de átomos ultrafrios) é estudado para aprender algo sobre outro sistema que parece fisicamente muito diferente, mas ainda segue as mesmas leis, ou seja, adere às mesmas equações matemáticas.
Muitas vezes é difícil descobrir quais equações determinam um sistema quântico específico. Normalmente, primeiro é preciso fazer suposições teóricas e depois realizar experimentos para verificar se essas suposições se mostram corretas. Surpreendentemente, pesquisadores da Universidade de Innsbruck, do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) e da TU Wien (Viena) alcançaram agora, em conjunto, um passo importante neste campo: desenvolveram um método que lhes permite ler diretamente do experimento cuja teoria física descreve efetivamente o comportamento do sistema quântico. Isto permite agora um novo tipo de controle de qualidade: é possível verificar diretamente se o simulador quântico realmente faz o que deveria simular. Isto deverá permitir que sejam feitas declarações quantitativas sobre sistemas quânticos que não podem ser investigados diretamente.
Medições com experimentos analógicos
“Na física quântica, muitas vezes você se depara com equações muito complicadas. Quando um grande número de partículas está envolvido, até mesmo os maiores supercomputadores do mundo ficam irremediavelmente sobrecarregados”, diz Robert Ott, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Hannes Pichler na Universidade de Innsbruck. Uma abordagem diferente é, portanto, muitas vezes mais útil: “Se você tiver um sistema de partículas quânticas que possa controlar e medir com muita precisão, então, em alguns casos, outros sistemas quânticos poderão ser modelados com ele. experiência analógica'. Você pode imaginar isso como sendo semelhante a experimentar ondas de água, por exemplo, para aprender algo sobre ondas sonoras”, explica Maximilian Prüfer da TU Wien.
Nuvens de átomos ultrafrios são uma variante particularmente interessante desses simuladores quânticos. Na TU Wien, o grupo de trabalho do Prof Jörg Schmiedmayer usa os chamados chips atômicos para reter, manipular e investigar essas nuvens atômicas de maneira altamente controlada. “Nestas nuvens de átomos, as excitações ocorrem em grandes escalas que obedecem às mesmas equações matemáticas de outros fenômenos físicos quânticos que aparecem em situações completamente diferentes”, diz Maximilian Prüfer, que lidera um experimento no grupo de trabalho com financiamento de uma bolsa Esprit de o FWF. “Portanto, queremos saber: como são exatamente essas equações que nosso sistema de átomos ultrafrios obedece? Elas correspondem às leis fundamentais que um determinado outro sistema quântico obedece?”
Teoria e experimento
Comparar teoria e experimento é, em certo sentido, o cerne da ciência natural: “Normalmente você considera qual teoria pode ser a certa para uma situação particular e então compara as descobertas resultantes com o experimento”, diz Robert Ott. “Se corresponderem, é uma indicação de que a descrição teórica está correta. Caso contrário, será necessário criar uma nova descrição.”
No caso do simulador quântico, porém, as coisas são um pouco diferentes: a equipe desenvolveu uma forma de ler as leis matemáticas às quais o sistema adere em uma determinada situação diretamente do experimento. Derivar essas leis teoricamente a partir de leis físicas básicas seria extremamente difícil. O grande número de átomos envolvidos, que interagem entre si de formas complexas, torna quase impossível derivar estas equações.
Um método básico para encontrar equações
“O chamado operador Hamilton é crucial na teoria quântica”, diz Robert Ott. “Este é um objeto matemático que descreve como um sistema quântico se comportará”. Este operador hamiltoniano pode assumir diferentes formas matemáticas: diferentes tipos de interações entre as partículas podem ocorrer nele, vários parâmetros estão contidos nele que descrevem o tamanho do papel que essas interações desempenham em cada caso. Até certo ponto, existe um conjunto conhecido de “blocos de construção” a partir dos quais este operador hamiltoniano pode ser montado.
“Agora conseguimos mostrar que se você medir as nuvens atômicas de maneira adequada, poderá ler diretamente de certas correlações desses resultados de medição quais termos de interação relevantes constituem o operador de Hamilton e quais parâmetros ocorrem neles”, diz Maximiliano Prufer. “Não precisamos primeiro realizar simulações computacionais complexas e depois compará-las com os resultados das medições; em vez disso, com nosso novo método, podemos ler diretamente dos dados experimentais como é a fórmula crucial.”
Este é um passo importante para a verificação de tais simuladores quânticos. “Usando nosso método, podemos mostrar que o simulador quântico realmente faz o que deveria – e pode, portanto, ser traduzido para outro sistema quântico que não pode ser investigado diretamente em um experimento”, diz Robert Ott.
Essas questões também são uma parte importante da pesquisa do QuantA Cluster of Excellence, que trabalha em simuladores quânticos tanto experimental quanto teoricamente. A equipe de pesquisa está confiante de que os simuladores quânticos tornarão possível derivar afirmações sobre sistemas quânticos complicados no futuro, o que nunca teria sido possível usando outros métodos, como simulações computacionais.
Publicação original
R. Ott et al., Aprendizagem hamiltoniana em teorias quânticas de campos, Phys. Rev. Pesquisa 6, 043284
