Estado fundamental da matéria visto pela 1ª vez ajudará a computação quântica

Estado fundamental da matéria visto pela 1ª vez ajudará a computação quântica

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 07 de Dezembro de 2021 às 15h00
ESA/Harald Ritsch

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.

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

Conceito artístico que representa o spin quântico (Imagem: Reprodução/Pixabay)

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

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