Alguns dos tópicos mais empolgantes da física moderna, como supercondutores de alta temperatura e algumas propostas para computadores quânticos, se resumem às coisas exóticas que acontecem quando esses sistemas pairam entre dois estados quânticos.
Infelizmente, entender o que está acontecendo nesses pontos, conhecidos como pontos críticos quânticos, provou ser um desafio. A matemática costuma ser muito difícil de resolver, e os computadores de hoje nem sempre estão à altura da tarefa de simular o que acontece, especialmente em sistemas com qualquer número apreciável de átomos envolvidos.
Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e seus colegas deram um passo em direção à construção de uma abordagem alternativa, conhecida como simulador quântico. Embora o novo dispositivo, por enquanto, apenas simule as interações entre dois objetos quânticos, argumentam os pesquisadores em um artigo publicado em 30 de janeiro em física da natureza que poderia ser ampliado com relativa facilidade. Nesse caso, os pesquisadores poderiam usá-lo para simular sistemas mais complicados e começar a responder a algumas das perguntas mais tentadoras da física.
“Estamos sempre criando modelos matemáticos que esperamos capturar a essência dos fenômenos nos quais estamos interessados, mas mesmo que acreditemos que eles estejam corretos, muitas vezes não são solucionáveis em um período de tempo razoável” com os métodos atuais, disse David Goldhaber-Gordon, professor de física em Stanford e pesquisador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES). Com um caminho em direção a um simulador quântico, disse ele, “temos esses botões para girar que ninguém nunca teve antes”.
Ilhas em um mar de elétrons
A ideia essencial de um simulador quântico, disse Goldhaber-Gordon, é semelhante a um modelo mecânico do sistema solar, onde alguém gira uma manivela e engrenagens interligadas giram para representar o movimento da lua e dos planetas. Acredita-se que tal “planeta” descoberto em um naufrágio datado de mais de 2.000 anos tenha produzido previsões quantitativas de horários de eclipses e localizações planetárias no céu, e máquinas análogas foram usadas até o final do século 20.º século para cálculos matemáticos que eram muito difíceis para os computadores digitais mais avançados da época.
Como os projetistas de um modelo mecânico de um sistema solar, os pesquisadores que constroem simuladores quânticos precisam garantir que seus simuladores se alinhem razoavelmente bem com os modelos matemáticos que pretendem simular.
Para Goldhaber-Gordon e seus colegas, muitos dos sistemas nos quais estão interessados - sistemas com pontos críticos quânticos, como certos supercondutores – podem ser imaginados como átomos de um elemento dispostos em uma rede periódica embutida em um reservatório de elétrons móveis. Os átomos da rede em tal material são todos idênticos e todos interagem uns com os outros e com o mar de elétrons que os cercam.
Para modelar materiais como esse com um simulador quântico, o simulador precisa ter substitutos para os átomos da rede que são quase idênticos entre si, e eles precisam interagir fortemente uns com os outros e com um reservatório de elétrons circundante. O sistema também precisa ser ajustável de alguma forma, para que os experimentadores possam variar diferentes parâmetros do experimento para obter informações sobre a simulação.
A maioria das propostas de simulação quântica não atende a todos esses requisitos de uma só vez, disse Winston Pouse, aluno de pós-graduação do laboratório de Goldhaber-Gordon e primeiro autor do estudo. física da natureza papel. “Em um nível alto, existem átomos ultrafrios, onde os átomos são exatamente idênticos, mas implementar um acoplamento forte a um reservatório é difícil. Depois, existem simuladores baseados em pontos quânticos, onde podemos obter um acoplamento forte, mas os locais são não idênticos”, disse Pouse.
Goldhaber-Gordon disse que uma possível solução surgiu no trabalho do físico francês Frédéric Pierre, que estudava dispositivos em nanoescala nos quais uma ilha de metal estava situada entre grupos de elétrons especialmente projetados, conhecidos como gases de elétrons bidimensionais. Portões controlados por voltagem regulavam o fluxo de elétrons entre as piscinas e a ilha de metal.
Ao estudar Pierre e o trabalho de seu laboratório, Pouse, Goldhaber-Gordon e seus colegas perceberam que esses dispositivos poderiam atender aos seus critérios. As ilhas – substitutos dos átomos da rede – interagiram fortemente com os gases de elétrons ao seu redor, e se a ilha única de Pierre fosse expandida para um aglomerado de duas ou mais ilhas, elas também interagiriam fortemente umas com as outras. As ilhas de metal também têm um número muito maior de estados eletrônicos em comparação com outros materiais, o que tem o efeito de tirar a média de quaisquer diferenças significativas entre dois blocos diferentes e invisíveis do mesmo metal – tornando-os efetivamente idênticos. Por fim, o sistema era sintonizável por cabos elétricos que controlavam as tensões.
Um simulador simples
A equipe também percebeu que, ao emparelhar as ilhas de metal de Pierre, eles poderiam criar um sistema simples que deveria exibir algo como o fenômeno quântico crítico no qual eles estavam interessados.
Descobriu-se que uma das partes difíceis era realmente construir os dispositivos. Primeiro, os contornos básicos do circuito devem ser nanoscopicamente gravados em semicondutores. Então, alguém precisa depositar e derreter uma pequena gota de metal na estrutura subjacente para criar cada ilha de metal.
“Eles são muito difíceis de fabricar”, disse Pouse sobre os dispositivos. “Não é um processo superlimpo e é importante fazer um bom contato” entre o metal e o semicondutor subjacente.
Apesar dessas dificuldades, a equipe, cujo trabalho faz parte de esforços mais amplos de ciência quântica em Stanford e SLAC, conseguiu construir um dispositivo com duas ilhas de metal e examinar como os elétrons se movem através dele sob uma variedade de condições. Seus resultados coincidiram com cálculos que levaram semanas em um supercomputador – sugerindo que eles podem ter encontrado uma maneira de investigar fenômenos quânticos críticos com muito mais eficiência do que antes.
“Embora ainda não tenhamos construído um computador quântico programável para todos os fins com poder suficiente para resolver todos os problemas em aberto na física”, disse Andrew Mitchell, físico teórico do Centro de Engenharia Quântica, Ciência e Tecnologia da University College Dublin (C -QueST) e co-autor do artigo, “agora podemos construir dispositivos analógicos sob medida com componentes quânticos que podem resolver problemas específicos de física quântica”.
Eventualmente, disse Goldhaber-Gordon, a equipe espera construir dispositivos com mais e mais ilhas, para que possam simular redes de átomos cada vez maiores, capturando comportamentos essenciais de materiais reais.
Primeiro, no entanto, eles esperam melhorar o design de seu dispositivo de duas ilhas. Um dos objetivos é diminuir o tamanho das ilhas de metal, o que poderia fazê-las funcionar melhor em temperaturas acessíveis: “refrigeradores” de temperatura ultrabaixa de ponta podem atingir temperaturas de até um quinquagésimo de grau acima do zero absoluto, mas isso mal era frio o suficiente para o experimento que os pesquisadores acabaram de terminar. Outra é desenvolver um processo mais confiável para criar as ilhas do que basicamente pingar pedaços de metal derretido em um semicondutor.
Mas uma vez que problemas como esses são resolvidos, acreditam os pesquisadores, seu trabalho pode estabelecer as bases para avanços significativos na compreensão dos físicos de certos tipos de supercondutores e talvez física ainda mais exótica, como estados quânticos hipotéticos que imitam partículas com apenas uma fração. da carga de um elétron.
“Uma coisa que David e eu compartilhamos é uma apreciação pelo fato de que realizar tal experimento foi possível”, disse Pouse, e para o futuro, “estou certamente animado”.
A pesquisa foi financiada principalmente pelo DOE Office of Science, com os estágios iniciais apoiados pela Gordon and Betty Moore Foundation.
Com informações de Science Daily.