Que fatores determinam a rapidez com que um computador quântico pode realizar seus cálculos? Físicos da Universidade de Bonn e do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel desenvolveram um experimento elegante para responder a essa pergunta. Os resultados do estudo são publicados na revista Science Advances.
Os computadores quânticos são máquinas altamente complexas que contam com os princípios da mecânica quântica para processar informações. Isso deve permitir que eles resolvam certos problemas no futuro, que são completamente insolúveis para os computadores convencionais.
Mas mesmo para computadores quânticos, existem limites fundamentais para a quantidade de dados que eles podem processar em um determinado momento.
Portas quânticas requerem um mínimo de tempo:
As informações armazenadas em computadores comuns podem ser consideradas uma longa sequência de uns e zeros, ou seja, bits.
Na mecânica quântica, tudo é diferente: as informações são armazenadas em bits quânticos (qubits), que se assemelham a uma onda, e não a uma série de valores discretos. Os físicos também falam sobre funções de onda quando desejam representar com precisão as informações contidas nos qubits.
Em um computador tradicional, as informações são interconectadas pelo que é conhecido como um portão. Combinar várias portas permite que você execute cálculos elementares, como adicionar dois bits.
A informação é processada de maneira muito semelhante em computadores quânticos, onde portas quânticas mudam a função de onda de acordo com certas regras.
Os portões quânticos se parecem com seus primos tradicionais em outro aspecto: “Mesmo no mundo quântico, os portões não funcionam infinitamente rápido”, explica a Dra. Andrea Alberti, do Instituto de Física Aplicada da Universidade de Bonn. "Eles precisam de um tempo mínimo para transformar a função de onda e as informações que ela contém."
Mais de 70 anos atrás, os físicos soviéticos Leonid Mandelstam e Igor Tamm teoricamente derivaram este tempo mínimo de transformação para a função de onda. Físicos da Universidade de Bonn e do Technion foram os primeiros a investigar esse limite de Mandelstam-Tamm usando um experimento em um sistema quântico complexo.
Para fazer isso, eles usaram átomos de césio que se moviam de maneira estritamente controlada. “Em um experimento, deixamos átomos individuais rolarem como bolas em uma tigela de luz e os observamos se mover”, explica Andrea Alberti, que liderou o estudo experimental.
Os átomos podem ser descritos mecanicamente como ondas quânticas de matéria. Conforme eles viajam para o fundo da tigela de luz, suas informações quânticas mudam. Os pesquisadores queriam saber como essa "deformação" pode ser detectada o mais cedo possível. Então, tal época se tornaria uma prova experimental do limite Mandelstam-Tamm.
O problema, entretanto, é que, no mundo quântico, cada medição da posição de um átomo altera inevitavelmente a onda material de uma maneira imprevisível. Portanto, sempre parece estar deformado, não importa a rapidez com que a medição é feita. “Portanto, desenvolvemos um método diferente para detectar desvios da linha de base”, diz Andrea Alberti.
Para tanto, os pesquisadores começaram criando um clone da onda material, ou seja, uma duplicata quase exata.
“Usamos pulsos de luz rápidos para criar o que é chamado de superposição quântica de dois estados de um átomo”, explica Gal Ness, o autor do estudo. "Falando figurativamente, um átomo se comporta como se tivesse duas cores diferentes ao mesmo tempo."
Dependendo da cor, cada gêmeo atômico assume sua própria posição na tigela de luz: um fica alto na borda e "rola para baixo" a partir daí. A outra, por outro lado, já está no fundo da tigela. Este gêmeo não se move e, portanto, não muda sua função de onda.
Os físicos compararam regularmente os dois clones. Eles fizeram isso usando uma técnica chamada interferência quântica, que permite que as diferenças nas ondas sejam detectadas com muita precisão. Isso permitiu que eles determinassem depois de quando uma deformação significativa da onda de material ocorreu pela primeira vez.
Ao alterar a altura acima do fundo da tigela no início do experimento, os físicos também puderam controlar a energia média do átomo. Média, porque, em princípio, é impossível determinar o valor exato. Conseqüentemente, a "energia de posição" de um átomo é sempre indefinida.
“Fomos capazes de demonstrar que o tempo mínimo para uma onda material mudar depende dessa incerteza energética”, dizem os cientistas, “quanto maior a incerteza, menor o tempo Mandelstam-Tamm”.
Isso é exatamente o que os dois físicos soviéticos previram. Mas havia também um segundo efeito: se a incerteza energética aumentasse mais e mais até ultrapassar a energia atômica média, então o tempo mínimo não diminuía mais - ao contrário do que o limite de Mandelstam-Tamm realmente presumia.
Assim, os físicos comprovaram o segundo limite de velocidade, que foi teoricamente descoberto há cerca de 20 anos. Assim, o limite de velocidade no mundo quântico é determinado não apenas pela incerteza da energia, mas também pela energia média.
2021-12-25 23:29:20
Autor: Vitalii Babkin