Esta estranha nova fase da matéria parece ocupar duas dimensões de tempo: WebCuriosos

Uma nova fase da matéria foi observada em um computador quântico depois que os físicos pulsaram luz em seus qubits em um padrão inspirado na sequência de Fibonacci.

Se você acha isso incompreensível, essa estranha peculiaridade da mecânica quântica se comporta como se tivesse duas dimensões de tempo, em vez de uma; uma característica que os cientistas dizem que torna os qubits mais robustos, capazes de permanecer estáveis ​​durante toda a duração do experimento.

Essa estabilidade é chamada de coerência quântica e é um dos principais objetivos para um computador quântico livre de erros – e um dos mais difíceis de alcançar.

A obra representa “uma maneira completamente diferente de pensar sobre as fases da matéria”, de acordo com o físico quântico computacional Philipp Dumitrescu do Flatiron Institute, principal autor de um novo artigo que descreve o fenômeno.

“Tenho trabalhado nessas ideias teóricas há mais de cinco anos, e vê-las realmente concretizadas em experimentos é emocionante.”

A computação quântica é baseada em qubits, o equivalente quântico dos bits de computação. No entanto, onde os bits processam informações em um de dois estados, 1 ou 0, os qubits podem estar em ambos simultaneamente, um estado conhecido como superposição quântica.

A natureza matemática dessa superposição pode ser incrivelmente poderosa do ponto de vista computacional, simplificando o trabalho de resolução de problemas nas circunstâncias certas.

Mas a natureza turva e instável de uma série de qubits também depende de como os seus estados indecisos se relacionam entre si – uma relação chamada emaranhamento.

Frustrantemente, os qubits podem se enredar com praticamente qualquer coisa em seu ambiente, introduzindo erros. Quanto mais delicado for o estado embaçado de um qubit (ou quanto mais caos houver em seu ambiente), maior será o risco de ele perder essa coerência.

Melhorar a coerência até o ponto de viabilidade é provavelmente uma abordagem multitática para superar um obstáculo significativo que impede um computador quântico funcional – cada pequena parte faz a diferença.

“Mesmo se você mantiver todos os átomos sob rígido controle, eles podem perder sua qualidade quântica ao conversar com o ambiente, ao aquecer ou ao interagir com as coisas de maneiras que você não planejou”, disse ele. Dumitrescu.

“Na prática, os dispositivos experimentais têm muitas fontes de erro que podem degradar a coerência após apenas alguns pulsos de laser.”

Aplicar uma simetria pode ser um meio de proteger os qubits da decoerência. Gire um quadrado antigo em noventa graus e ele ainda terá efetivamente o mesmo formato. Esta simetria protege-o de certos efeitos rotacionais.

Tocar qubits com pulsos de laser espaçados uniformemente garante que haja uma simetria baseada não no espaço, mas no tempo. Dumitrescu e seus colegas queriam saber se conseguiriam aumentar esse efeito adicionando, não uma periodicidade simétrica, mas uma quase-periodicidade assimétrica.

Isso, teorizaram eles, acrescentaria não uma simetria temporal, mas duas; um efetivamente enterrado dentro do outro.

A ideia foi baseada em trabalhos anteriores da equipe que propôs o criação de algo chamado quasicristal no tempoem vez de espaço. Onde um cristal é feito de uma rede simétrica de átomos que se repete no espaço, como um trepa-trepa de grade quadrada ou um favo de mel, o padrão de átomos em um quasicristal não se repete, como um Azulejo Penrosemas ainda assim ordenado.

A equipe conduziu seu experimento em um computador quântico comercial de última geração projetado por Quantosuma empresa de computação quântica. Esta besta emprega em seus qubits 10 átomos de itérbio (um dos elementos escolhidos para relógios atômicos). Esses átomos são mantidos em uma armadilha de íons elétricos, a partir da qual pulsos de laser podem ser empregados para controlá-los ou medi-los.

Dumitrescu e colegas criaram uma sequência de pulsos de laser baseada em Números de Fibonaccionde cada segmento é a soma dos dois segmentos anteriores. Isso resulta em uma sequência ordenada, mas que não se repete, assim como um quasicristal.

Os quasicristais podem ser descritos matematicamente como segmentos de dimensões inferiores de redes de dimensões superiores. Uma telha Penrose pode ser descrita como uma fatia bidimensional de um hipercubo pentadimensional.

Da mesma forma, os pulsos de laser da equipe podem ser descritos como uma representação unidimensional de um padrão bidimensional. Teoricamente, isso significava que poderia impor duas simetrias de tempo aos qubits.

A equipe testou seu trabalho disparando lasers na matriz qubit de itérbio, primeiro em uma sequência simétrica, depois quase periodicamente. Eles então mediram a coerência dos dois qubits em cada extremidade da armadilha.

Para a sequência periódica, os qubits permaneceram estáveis ​​por 1,5 segundos. Para a sequência quase periódica, eles permaneceram estáveis ​​por 5,5 segundos – a duração do experimento.

A simetria temporal adicional, disseram os pesquisadores, acrescentou outra camada de proteção contra a decoerência quântica.

“Com esta sequência quase periódica, há uma evolução complicada que anula todos os erros que vivem no limite”, Dumitrescu disse.

“Por causa disso, a borda permanece coerente mecanicamente quântica por muito, muito mais tempo do que você esperaria.”

O trabalho não está perto de estar pronto para integração em computadores quânticos funcionais, mas representa um passo importante rumo a esse objetivo, disseram os pesquisadores.

A pesquisa foi publicada em Natureza.