Cientistas da computação provam que o calor destrói o emaranhado quântico – Quanta Magazine

Há quase um século, o físico Erwin Schrödinger chamou a atenção para uma estranheza no mundo quântico, que desde então fascina e preocupa os pesquisadores. Quando partículas quânticas como os átomos interagem, elas renunciam à sua identidade individual em favor de um estado coletivo maior e mais estranho do que a soma das suas partes. Este fenômeno é chamado de emaranhamento.

Os pesquisadores têm um bom entendimento de como funciona o emaranhamento em sistemas ideais com apenas algumas partículas. Mas o mundo real é mais complexo. Em grandes grupos de átomos, como aqueles que constituem as coisas que vemos e tocamos, as leis da física quântica competem com as leis da termodinâmica, e as coisas ficam complicadas.

Em temperaturas muito baixas, o emaranhamento pode se espalhar por longas distâncias, envolvendo muitos átomos e levando a fenômenos estranhos como a supercondutividade. Mas se a temperatura subir, os átomos tremem, fazendo com que as frágeis ligações que mantêm unidas as partículas emaranhadas se quebrem.

Os físicos há muito lutam para determinar os detalhes desse processo. Agora, uma equipe de quatro pesquisadores chegou a esta conclusão. Comprovado O emaranhado não enfraquece apenas à medida que a temperatura aumenta. Em vez disso, em modelos matemáticos de sistemas quânticos, tais como conjuntos de átomos em materiais físicos, há sempre uma temperatura específica acima da qual o emaranhamento desaparece completamente. “Não é só que seja incrivelmente pequeno”, diz ele Ankur Moitra do MIT, um dos autores da nova descoberta. “É zero.”

Os pesquisadores já haviam notado indícios desse comportamento e o chamaram de “Morte súbita“O emaranhamento quântico não é apenas uma desculpa. Mas as evidências que encontraram sempre foram indiretas. A nova descoberta, por outro lado, tem a força da prova matemática.

Estranhamente, os quatro investigadores que chegaram ao novo resultado nem sequer são físicos e o seu objetivo não era provar nada sobre o emaranhamento. Em vez disso, são cientistas da computação que encontraram evidências enquanto desenvolviam um novo algoritmo.

Independentemente de suas intenções, os resultados entusiasmaram os pesquisadores da área. “É uma afirmação muito poderosa”, disse um pesquisador. Sonon Choi“, um físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Gostei muito disso.”

Encontre o equilíbrio

A equipe fez sua descoberta enquanto explorava as capacidades teóricas dos futuros computadores quânticos – máquinas que explorariam o comportamento quântico, incluindo emaranhamento e superposição, para realizar certos cálculos muito mais rápido do que os computadores clássicos que conhecemos hoje.

Uma das aplicações mais promissoras da computação quântica é o estudo da própria física quântica. Suponha que você queira entender o comportamento de um sistema quântico. Os pesquisadores primeiro precisam desenvolver procedimentos ou algoritmos específicos que os computadores quânticos possam usar para responder às suas perguntas.

Mas nem todas as questões sobre sistemas quânticos são fáceis de responder usando algoritmos quânticos. Algumas dessas questões são igualmente fáceis para algoritmos clássicos executados em computadores comuns, enquanto outras são difíceis para algoritmos clássicos e quânticos.

Para compreender onde os algoritmos quânticos e os computadores que os podem executar podem oferecer uma vantagem, os investigadores analisam frequentemente modelos matemáticos chamados sistemas de spin, que capturam o comportamento fundamental de matrizes de átomos em interação. Então eles poderiam perguntar: O que o sistema de circulação fará quando você o deixar sozinho a uma determinada temperatura? O estado em que se estabiliza, denominado equilíbrio térmico, determina muitas das suas outras propriedades, por isso os investigadores há muito procuram desenvolver algoritmos para encontrar estados de equilíbrio.

Se esses algoritmos realmente se beneficiam por serem de natureza quantitativa depende da temperatura do sistema de spin em questão. Em temperaturas muito altas, algoritmos clássicos bem conhecidos podem executar a tarefa facilmente. O problema torna-se mais difícil à medida que a temperatura diminui e a força dos fenómenos quânticos aumenta. Em alguns sistemas, eles se tornam extremamente difíceis de resolver, mesmo para computadores quânticos, em qualquer período de tempo razoável. Mas os detalhes de tudo isto permanecem vagos.

“Quando você vai para um espaço onde precisa do quantum e quando você vai para um espaço onde o quantum nem mesmo o ajuda?” Ele disse Ewen Tang“Não sabemos muito sobre isto”, disse um investigador da UC Berkeley e um dos autores da nova descoberta.

Em fevereiro, Tang e Moitra começaram a pensar sobre o problema do equilíbrio térmico com dois outros cientistas da computação do MIT: um pesquisador de pós-doutorado chamado Aineesh Bakshi Um estudante de pós-graduação em Moitra Allen LiuEm 2023, todos colaboraram em Algoritmo quântico pioneiro Para uma missão diferente envolvendo sistemas rotacionais, eles buscavam um novo desafio.

“Quando trabalhamos juntos, as coisas correm bem. Tem sido ótimo”, disse Bakshi.

Antes de sua descoberta em 2023, os três pesquisadores do MIT nunca haviam trabalhado em algoritmos quânticos. Sua formação foi em teoria da aprendizagem, um subcampo da ciência da computação que se concentra em algoritmos usados ​​em análise estatística. Mas, tal como as startups ambiciosas em todo o mundo, eles viam a sua relativa ingenuidade como uma vantagem, uma forma de ver o problema com novos olhos. “Um dos nossos pontos fortes é que não sabemos muito sobre o quantum”, diz Moitra. “O único quantum que conhecemos é o quantum que Ewen nos ensinou.”

A equipe decidiu se concentrar em temperaturas relativamente altas, já que os pesquisadores suspeitavam de algoritmos quânticos rápidos, embora ninguém tenha conseguido provar isso. Eles logo encontraram uma maneira de adaptar uma antiga técnica de teoria de aprendizagem em um novo algoritmo rápido. Mas enquanto escrevia o artigo, outra equipe teve a ideia de que esses algoritmos poderiam ser úteis para resolver esse problema. Resultado semelhante: Prova disso Algoritmo promissor Os produtos desenvolvidos no ano anterior teriam funcionado bem em temperaturas mais altas. Foi varrido.

A morte súbita renasce

Tang e seus companheiros de equipe ficaram um pouco desapontados por terem ficado em segundo lugar e começaram a se corresponder com Álvaro vermelhoAlhambra, físico do Instituto de Física Teórica de Madrid e um dos autores do artigo concorrente, queria saber as diferenças entre as suas descobertas de forma independente. Mas quando Alhambra leu um rascunho inicial da prova dos quatro investigadores, ficou surpreso ao descobrir que eles tinham provado outra coisa num passo intermédio: em qualquer sistema de spin em equilíbrio térmico, o emaranhamento desaparece completamente acima de uma certa temperatura. “Eu disse a eles: ‘Oh, isso é muito, muito importante’”, disse Alhambra.