Na escala de átomos individuais, a física fica estranha. Os pesquisadores estão trabalhando para revelar, aproveitar e controlar esses estranhos efeitos quânticos usando simuladores analógicos quânticos – experimentos de laboratório que envolvem superresfriamento de dezenas a centenas de átomos e sondando-os com lasers e ímãs finamente ajustados.
Os cientistas esperam que qualquer novo entendimento adquirido com os simuladores quânticos forneça planos para projetar novos materiais exóticos, eletrônicos mais inteligentes e eficientes e computadores quânticos práticos. Mas, para colher os insights dos simuladores quânticos, os cientistas primeiro precisam confiar neles.
Ou seja, eles precisam ter certeza de que seu dispositivo quântico tem “alta fidelidade” e reflete com precisão o comportamento quântico. Por exemplo, se um sistema de átomos é facilmente influenciado por ruído externo, os pesquisadores podem assumir um efeito quântico onde não há nenhum. Mas não havia uma maneira confiável de caracterizar a fidelidade dos simuladores analógicos quânticos, até agora.
Em um estudo que aparece em Natureza, físicos do MIT e da Caltech relatam um novo fenômeno quântico: eles descobriram que existe uma certa aleatoriedade nas flutuações quânticas dos átomos e que esse comportamento aleatório exibe um padrão universal e previsível. O comportamento aleatório e previsível pode soar como uma contradição. Mas a equipe confirmou que certas flutuações aleatórias podem de fato seguir um padrão estatístico previsível.
Além disso, os pesquisadores usaram essa aleatoriedade quântica como uma ferramenta para caracterizar a fidelidade de um simulador analógico quântico. Eles mostraram por meio de teoria e experimentos que podiam determinar a precisão de um simulador quântico analisando suas flutuações aleatórias.
A equipe desenvolveu um novo protocolo de benchmarking que pode ser aplicado a simuladores analógicos quânticos existentes para avaliar sua fidelidade com base em seu padrão de flutuações quânticas. O protocolo pode ajudar a acelerar o desenvolvimento de novos materiais exóticos e sistemas de computação quântica.
“Este trabalho permitiria caracterizar muitos dispositivos quânticos existentes com uma precisão muito alta”, diz o co-autor do estudo Soonwon Choi, professor assistente de física no MIT. “Isso também sugere que existem estruturas teóricas mais profundas por trás da aleatoriedade em sistemas quânticos caóticos do que pensávamos anteriormente”.
Os autores do estudo incluem o estudante de pós-graduação do MIT Daniel Mark e colaboradores da Caltech, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, da Universidade de Harvard e da Universidade da Califórnia em Berkeley.
evolução aleatória
O novo estudo foi motivado por um avanço em 2019 do Google, onde os pesquisadores construíram um computador quântico digital, apelidado de “Sycamore”, que poderia realizar uma computação específica mais rapidamente do que um computador clássico.
Enquanto as unidades de computação em um computador clássico são “bits” que existem como 0 ou 1, as unidades em um computador quântico, conhecidas como “qubits”, podem existir em uma superposição de vários estados. Quando vários qubits interagem, eles podem, em teoria, executar algoritmos especiais que resolvem problemas difíceis em muito menos tempo do que qualquer computador clássico.
Os pesquisadores do Google projetaram um sistema de loops supercondutores para se comportar como 53 qubits e mostraram que o “computador” poderia realizar um cálculo específico que normalmente seria muito complicado até mesmo para o supercomputador mais rápido do mundo resolver.
O Google também mostrou que poderia quantificar a fidelidade do sistema. Ao alterar aleatoriamente o estado de qubits individuais e comparar os estados resultantes de todos os 53 qubits com o que os princípios da mecânica quântica prevêem, eles conseguiram medir a precisão do sistema.
Choi e seus colegas se perguntaram se poderiam usar uma abordagem semelhante e aleatória para avaliar a fidelidade dos simuladores analógicos quânticos. Mas havia um obstáculo que eles teriam que superar: ao contrário do sistema quântico digital do Google, átomos individuais e outros qubits em simuladores analógicos são incrivelmente difíceis de manipular e, portanto, controlar aleatoriamente.
Mas, por meio de alguma modelagem teórica, Choi percebeu que o efeito coletivo de manipular qubits individualmente no sistema do Google poderia ser reproduzido em um simulador quântico analógico simplesmente deixando os qubits evoluírem naturalmente.
“Descobrimos que não precisamos projetar esse comportamento aleatório”, diz Choi. “Sem ajuste fino, podemos simplesmente deixar a dinâmica natural dos simuladores quânticos evoluir, e o resultado levaria a um padrão semelhante de aleatoriedade devido ao caos”.
Construindo confiança
Como um exemplo extremamente simplificado, imagine um sistema de cinco qubits. Cada qubit pode existir simultaneamente como 0 ou 1, até que uma medição seja feita, quando os qubits se estabelecem em um ou outro estado. Com qualquer medição, os qubits podem assumir uma das 32 combinações diferentes: 0-0-0-0-0, 0-0-0-0-1 e assim por diante.
“Essas 32 configurações ocorrerão com uma certa distribuição de probabilidade, que as pessoas acreditam que deve ser semelhante às previsões da física estatística”, explica Choi. “Mostramos que eles concordam em média, mas há desvios e flutuações que exibem uma aleatoriedade universal que não conhecíamos. E essa aleatoriedade se parece com se você executasse aquelas operações aleatórias que o Google fez.”
Os pesquisadores levantaram a hipótese de que, se pudessem desenvolver uma simulação numérica que representasse com precisão a dinâmica e as flutuações aleatórias universais de um simulador quântico, poderiam comparar os resultados previstos com os resultados reais do simulador. Quanto mais próximos os dois estiverem, mais preciso deve ser o simulador quântico.
Para testar essa ideia, Choi se uniu a experimentalistas da Caltech, que projetaram um simulador analógico quântico composto por 25 átomos. Os físicos apontaram um laser para o experimento para excitar coletivamente os átomos e, em seguida, permitir que os qubits interagissem naturalmente e evoluíssem com o tempo. Eles mediram o estado de cada qubit em várias execuções, reunindo 10.000 medições no total.
Choi e seus colegas também desenvolveram um modelo numérico para representar a dinâmica quântica do experimento e incorporaram uma equação que eles derivaram para prever as flutuações aleatórias universais que deveriam surgir. Os pesquisadores então compararam suas medições experimentais com os resultados previstos do modelo e observaram uma correspondência muito próxima – forte evidência de que este simulador em particular pode ser confiável por refletir o comportamento mecânico quântico puro.
Mais amplamente, os resultados demonstram uma nova maneira de caracterizar quase qualquer simulador analógico quântico existente.
“A capacidade de caracterizar dispositivos quânticos forma uma ferramenta técnica muito básica para construir sistemas quânticos cada vez maiores, mais precisos e complexos”, diz Choi. “Com nossa ferramenta, as pessoas podem saber se estão trabalhando com um sistema confiável.”
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela US National Science Foundation, pela Defense Advanced Research Projects Agency, pelo Army Research Office e pelo Departamento de Energia.
Com informações de Science Daily.
