Estado fundamental da matéria visto pela 1ª vez ajudará a computação quântica
Por Daniele Cavalcante | Editado por Patricia Gnipper | 07 de Dezembro de 2021 às 15h00
Um novo estado da matéria foi observado em um estudo que pode ajudar os cientistas no aprimoramento dos computadores quânticos. Previsto em 1973 pelo físico Philip W. Anderson, o líquido de spin quântico é um estado fundamental de um determinado sistema de spins. Alguns candidatos a líquido de spin quântico já foram analisados, mas esta é a primeira vez que os cientistas estão seguros de que estão lidando com este estado da matéria.
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Apesar do nome, o líquido de spin quântico não tem nada a ver com os líquidos aos quais estamos acostumados. Na verdade, trata-se de ímãs que nunca congelam os spins (orientação da rotação) de seus elétrons. Em ímãs comuns, quando a temperatura cai abaixo de um certo limite, os elétrons se estabilizam e formam um pedaço sólido de matéria com propriedades magnéticas. No líquido de spin quântico, isso não acontece.
Nesse novo estado da matéria, os elétrons não se estabilizam quando esfriam e não formam um objeto sólido; eles ficam constantemente mudando e flutuando (como um líquido). Além disso, o líquido de spin quântico é um dos estados mais emaranhados já concebidos. Isso significa que nele há partículas "gêmeas", fenômeno conhecido como emaranhamento quântico.
De acordo com Giulia Semeghini, pós-doutoranda no Harvard-Max Planck Quantum Optics Center e autora principal do estudo, essa descoberta é "um sonho da computação quântica". Isso porque os líquidos de spin quântico devem ajudar a descobrir como tornar os qubits (bits na computação quântica) o mais robustos possível. “Aprender como criar e usar tais qubits topológicos [qubits melhor protegidos contra ruído externo e interferência] representaria um grande passo em direção a computadores quânticos confiáveis".
Observando o líquido de spin quântico
A equipe liderada por pesquisadores de Harvard usou um computador quântico especial, conhecido como simulador quântico programável, capaz de operar com 256 qubits. O sistema foi desenvolvido e apresentado ainda este ano, e já mostrou resultados impressionantes na simulação de estados da matéria que ainda não foram observados em experimentos no "mundo real".
Embora o líquido de spin quântico tenha sido observado no simulador, ele usa propriedades físicas reais. A ideia é conseguir reproduzir a mesma física microscópica encontrada na simulação em matéria condensada, principalmente com a liberdade que a programabilidade permite.
Essa pesquisa é importante porque materiais usados hoje como supercondutores requerem uma temperatura extremamente baixa para não terem resistência elétrica, mas o líquido de spin quântico poderia funcionar em temperaturas mais altas, por exemplo, e transportaria a energia com uma grande economia.
Os cientistas usaram o simulador para criar um padrão de rede triangular colocando os átomos lá para interagir, então eles conseguiram medir e analisar as cordas que conectam os átomos depois que toda a estrutura é emaranhada. A presença e análise dessas cordas (chamadas cordas topológicas) significava que correlações quânticas estavam acontecendo e o estado líquido do spin quântico estava formado.
Ainda usando o simulador, eles realizaram um teste de prova de conceito criando bits quânticos e colocando os líquidos de spin em uma matriz geométrica especial. “Mostramos os primeiros passos sobre como criar esse qubit topológico, mas ainda precisamos demonstrar como você pode realmente codificá-lo e manipulá-lo”, disse Semeghini. “Agora há muito mais para explorar". O estudo foi publicado na revista Science.
Fonte: Science, Harvard; via: Science Alert