Os pesquisadores alcançaram um avanço na física quântica ao criar o cristal de tempo mais complexo até hoje dentro de um computador quântico. Este experimento não apenas ultrapassa os limites do que é possível com esses estados exóticos da matéria; também destaca o potencial crescente dos computadores quânticos como ferramentas poderosas para a descoberta científica.
O estranho mundo dos cristais do tempo
Os cristais tradicionais exibem padrões repetidos no espaço – pense no arranjo regular dos átomos em um diamante. Os cristais do tempo, entretanto, repetem padrões no tempo. Em vez de ficarem parados, eles alternam entre configurações indefinidamente, aparentemente desafiando as regras usuais da termodinâmica.
Inicialmente, este movimento perpétuo parecia violar a física, mas ao longo da última década, os cientistas criaram com sucesso cristais do tempo em laboratórios. O mais recente avanço, liderado por Nicolás Lorente, do Centro Internacional de Física de Donostia, em Espanha, utiliza um computador quântico supercondutor da IBM para construir uma versão muito mais complexa do que nunca.
De uma dimensão ao favo de mel: um cristal do tempo 2D
Estudos anteriores focaram principalmente em cristais de tempo unidimensionais, semelhantes a uma simples linha de átomos. A equipe de Lorente aceitou o desafio de construir um cristal do tempo bidimensional. Eles usaram 144 qubits supercondutores, dispostos em um padrão semelhante a um favo de mel, onde cada qubit agia como uma partícula com spin quântico. Ao controlar com precisão as interações entre esses qubits, eles induziram o comportamento do cristal temporal.
A chave não era apenas criar o cristal do tempo, mas também programar as interações para produzir forças e padrões específicos. Este nível de controle permitiu mapear o “diagrama de fases” do sistema – essencialmente um gráfico abrangente que mostra todos os estados possíveis. Assim como um diagrama de fases da água revela se ela é líquida, sólida ou gasosa, este mapa detalha o comportamento do sistema quântico.
Por que isso é importante: computadores quânticos como ferramentas de design de materiais
Jamie Garcia, da IBM, não afiliado à pesquisa, sugere que este experimento pode ser o primeiro passo para o uso de computadores quânticos para projetar novos materiais. Compreender toda a gama de propriedades de um sistema quântico – mesmo as incomuns, como os cristais do tempo – poderia revolucionar a ciência dos materiais.
Atualmente, as simulações de modelos quânticos complexos são muito exigentes para computadores convencionais, muitas vezes exigindo aproximações. Mas mesmo os computadores quânticos existentes não são perfeitos; eles sofrem de erros. Esta pesquisa exigiu uma abordagem híbrida: usar métodos convencionais para estimar onde os resultados do computador quântico se tornam não confiáveis e, em seguida, aproveitar os cálculos exatos (embora propensos a erros) do computador quântico.
O futuro das simulações quânticas
Biao Huang, da Universidade da Academia Chinesa de Ciências, observa que simular sistemas bidimensionais é notoriamente difícil numericamente. Este experimento, com mais de 100 qubits, fornece uma referência vital para pesquisas futuras. Além disso, poderia preencher a lacuna entre os cristais de tempo simulados em computadores quânticos e estados semelhantes encontrados em sensores quânticos.
Este trabalho representa um progresso experimental emocionante para diversas áreas de estudo da matéria quântica. Especificamente, poderia ajudar a conectar cristais de tempo, que podem ser simulados em computadores quânticos, a estados semelhantes que podem ser criados em alguns tipos de sensores quânticos.
A combinação de métodos clássicos aproximados e cálculos quânticos exatos (mas imperfeitos) irá refinar a nossa compreensão de modelos quânticos complexos, potencialmente revelando novos avanços no design de materiais e muito mais.
Este avanço reforça a ideia de que os computadores quânticos não são apenas processadores mais rápidos; são máquinas fundamentalmente diferentes, capazes de resolver problemas além do alcance da computação clássica.
