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Observada nova fase da matéria com duas dimensões de tempo

Uma nova fase da matéria foi observada em um experimento voltado para a computação quântica, exibindo duas dimensões de tempo. O objetivo era produzir um comportamento mais controlado e coerente em dez átomos de itérbio para reduzir a margem de erros nos computadores quânticos. E deu certo!

Qubits e tempo quântico

Em um computador quântico, as informações não são transmitidas por transistores, como acontece nos computadores que usamos atualmente. Os bits quânticos (chamados qubits) são armazenados em um único átomo. Como a mecânica quântica trabalha com a superposição de diferentes possibilidades (além das muitas propriedades de uma única partícula), informação é codificada não por meio de zeros e uns, mas uma mistura, ou “superposição”, de zero e um.

Isso significa que um único qubit pode armazenar dados multidimensionais, em vez de apenas um zero ou um. Essa é a característica fundamental de computadores quânticos que os tornam potencialmente milhares ou até milhões de vezes mais rápidos que os computadores clássicos.

Os físicos criaram uma fase da matéria nunca vista antes neste computador quântico (Imagem: Reprodução/Quantinum)
Os físicos criaram uma fase da matéria nunca vista antes neste computador quântico (Imagem: Reprodução/Quantinum)

O problema é que essa vantagem é, ao mesmo tempo, uma maldição. É que essa mistura de estados em superposição torna os qubits muito propensos a erros. Simplificando, não existe meio de controlar a informação guardada porque os átomos "escolhem" o estado entre as possibilidades de 0 ou 1. Essa mecânica é estritamente probabilística e não se pode prever qual estado será "escolhido" pelo qubit.

Se a ideia de superposição dos qubits evocou o gato de Schrödinger em sua mente, não é por acaso. O experimento mental do gato na caixa é uma analogia para descrever a superposição de possibilidades na mecânica quântica. Quando a caixa está fechada, o gato está vivo e morto ao mesmo tempo, mas apenas uma possibilidade será "escolhida" ao abrir — e apenas ao abir — a caixa.

É por isso que os físicos descrevem esse fenômeno bizarro da mecânica quântica como tempo quântico. Diferente do mundo macroscópico, onde o tempo é regido pela gravidade e está associado de modo inseparável ao espaço, a ordem de possibilidades "escolhida" em um evento pode ser aleatória. Ou seja, o futuro poderia surgir antes do passado — e até mesmo influenciar o passado.

Contornando os erros

Os qubits são lidos com o uso de lasers (fótons de luz) que interagem com eles, o que torna tudo propenso a erros. Mesmo se você mantiver todos os átomos sob controle rígido, eles podem perder sua propriedade quântica. Isso acontece por diversos fatores, como aquecimento ou interação com o ambiente.

Assim, muitas das pesquisas em computação quântica giram em torno de descobrir técnicas de resolver os erros causados pela superposição nos qubits. Em um novo experimento, Philipp Dumitrescu e sua equipe conseguiram observar na prática um conceito com o qual trabalhavam na teoria.

Eles lançaram um laser pulsante nos dez átomos de itérbio e observaram o nova fase da matéria que exibe duas dimensões de tempo, embora o fluxo vá somente em direção a uma delas. O segredo para obter esse resultado é a sequência de Fibonacci.

No quasicristal de Penrose, nenhum padrão é repetido (Imagem: Reprodução/Domínio Público)
No quasicristal de Penrose, nenhum padrão é repetido (Imagem: Reprodução/Domínio Público)

Normalmente, os pulsos de laser nos qubits são sequenciais, mas repetidos (A, B, A, B, A, B, etc). A equipe de Dumitrescu resolveu usar padrões que não se repetem, porque o próximo pulso é sempre a soma das duas partes dos pulsos anteriores (A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA, etc.).

A técnica foi inspirada no quasicristal de Penrose, que possui estrutura ordenada, mas que nunca se repete. Embora o padrão desse quasicristal seja composto por apenas duas formas geométricas, nenhum deles se repete. É uma projeção 2d de uma rede quadrada 5D.

Tudo isso parece confuso para os pouco versados em mecânica quântica, mas o resultado é o que realmente importa: ao adicionar uma dimensão de tempo, os cientistas conseguiram mais tempo para os qubits se manterem estáveis (coerentes), evitando assim um colapso imprevisível.

Com o laser periódico (A, B, A, B, A, B, etc), os qubits na borda da estrutura de dez átomos permaneceram em sua superposição por 1,5 segundos. Já na sequência Fibonacci, eles permaneceram quânticos durante cerca de 5,5 segundos. Para nós, é pouco tempo, mas na computação quântica é um grande avanço, considerando as interações entre os qubits.

Essa descoberta é bastante promissora, mas a nova fase da matéria ainda precisa passar por novos testes até ser integrada a um computador quântico. “Temos essa aplicação direta e tentadora, mas precisamos encontrar uma maneira de vinculá-la aos cálculos”, disse Dumitrescu. “Esse é um problema em aberto no qual estamos trabalhando".

O artigo que descreve o experimento foi publicado na revista Nature.

Fonte: Canaltech

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