Ao emular um campo magnético em um computador quântico supercondutor, os pesquisadores podem investigar propriedades complexas dos materiais.
Os computadores quânticos prometem emular materiais complexos, ajudando os pesquisadores a compreender melhor as propriedades físicas que surgem da interação de átomos e elétrons. Isso pode um dia levar à descoberta ou ao projeto de melhores semicondutores, isolantes ou supercondutores que poderiam ser usados para fabricar produtos eletrônicos cada vez mais rápidos, mais potentes e com maior eficiência energética.
Mas alguns fenômenos que ocorrem em materiais podem ser difíceis de imitar usando computadores quânticos, deixando lacunas nos problemas que os cientistas exploraram com {hardware} quântico.
Para preencher uma dessas lacunas, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma técnica para gerar campos eletromagnéticos sintéticos em processadores quânticos supercondutores. A equipe demonstrou a técnica em um processador composto por 16 qubits.
Ao controlar dinamicamente como os 16 qubits em seu processador são acoplados entre si, os pesquisadores conseguiram emular como os elétrons se movem entre os átomos na presença de um campo eletromagnético. Além disso, o campo eletromagnético sintético é amplamente ajustável, permitindo aos cientistas explorar uma gama de propriedades dos materiais.
A emulação de campos eletromagnéticos é essential para explorar completamente as propriedades dos materiais. No futuro, esta técnica poderá esclarecer características importantes dos sistemas eletrônicos, como condutividade, polarização e magnetização.
“Os computadores quânticos são ferramentas poderosas para estudar a física dos materiais e outros sistemas da mecânica quântica. Nosso trabalho nos permite simular muito mais da rica física que cativou os cientistas de materiais”, diz Ilan Rosen, pós-doutorado do MIT e autor principal de um artigo sobre o simulador quântico.
O autor sênior é Guilherme D. Olivero professor Henry Ellis Warren de engenharia elétrica e ciência da computação e de física, diretor do Centro de Engenharia Quânticalíder do Grupo de Sistemas Quânticos de Engenhariae diretor associado do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica. Oliver e Rosen são acompanhados por outros nos departamentos de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e de Física e no Laboratório Lincoln do MIT. A pesquisa aparece hoje em Física da Natureza.
Um emulador quântico
Empresas como a IBM e o Google estão se esforçando para construir plataformas digitais em larga escala. computadores quânticos que prometem superar suas contrapartes clássicas, executando certos algoritmos com muito mais rapidez.
Mas isso não é tudo que os computadores quânticos podem fazer. A dinâmica dos qubits e seus acoplamentos também pode ser cuidadosamente construída para imitar o comportamento dos elétrons à medida que se movem entre os átomos dos sólidos.
“Isso leva a uma aplicação óbvia, que é usar esses computadores quânticos supercondutores como emuladores de materiais”, diz Jeffrey Grover, cientista pesquisador do MIT e coautor do artigo.
Em vez de tentar construir computadores quânticos digitais em grande escala para resolver problemas extremamente complexos, os investigadores podem usar os qubits em computadores quânticos de menor escala como dispositivos analógicos para replicar um sistema materials num ambiente controlado.
“Simuladores quânticos digitais de uso geral são tremendamente promissores, mas ainda estão muito distantes. A emulação analógica é outra abordagem que pode produzir resultados úteis no curto prazo, especialmente para o estudo de materiais. É uma aplicação simples e poderosa de {hardware} quântico”, explica Rosen. “Usando um emulador quântico analógico, posso definir intencionalmente um ponto de partida e então observar o que se desenrola em função do tempo.”
Apesar de sua grande semelhança com os materiais, existem alguns ingredientes importantes nos materiais que não podem ser facilmente refletidos no {hardware} de computação quântica. Um desses ingredientes é um campo magnético.
Nos materiais, os elétrons “vivem” em orbitais atômicos. Quando dois átomos estão próximos um do outro, seus orbitais se sobrepõem e os elétrons podem “saltar” de um átomo para outro. Na presença de um campo magnético, esse comportamento de salto torna-se mais complexo.
Em um computador quântico supercondutor, os fótons de micro-ondas que saltam entre qubits são usados para imitar os elétrons que saltam entre os átomos. Mas, como os fótons não são partículas carregadas como os elétrons, o comportamento de salto dos fótons permaneceria o mesmo em um campo magnético físico.
Como eles não podem simplesmente ativar um campo magnético em seu simulador, a equipe do MIT empregou alguns truques para sintetizar os efeitos de um campo magnético.
Ajustando o processador
Os pesquisadores ajustaram como os qubits adjacentes no processador foram acoplados entre si para criar o mesmo comportamento complexo de salto que os campos eletromagnéticos causam nos elétrons.
Para fazer isso, eles alteraram ligeiramente a energia de cada qubit aplicando diferentes sinais de micro-ondas. Normalmente, os pesquisadores definem qubits com a mesma energia para que os fótons possam saltar de um para outro. Mas para esta técnica, eles variaram dinamicamente a energia de cada qubit para mudar a forma como eles se comunicam entre si.
Ao modular com precisão esses níveis de energia, os pesquisadores permitiram que os fótons saltassem entre os qubits da mesma maneira complexa que os elétrons saltam entre os átomos em um campo magnético.
Além disso, como podem sintonizar com precisão os sinais de micro-ondas, podem emular uma gama de campos eletromagnéticos com diferentes intensidades e distribuições.
Os pesquisadores realizaram várias rodadas de experimentos para determinar qual energia definir para cada qubit, com que intensidade modulá-los e a frequência de microondas a ser usada.
“A parte mais desafiadora foi encontrar configurações de modulação para cada qubit para que todos os 16 qubits funcionassem ao mesmo tempo”, diz Rosen.
Assim que chegaram às configurações corretas, confirmaram que a dinâmica dos fótons sustenta várias equações que formam a base do eletromagnetismo. Eles também demonstraram o “efeito Corridor”, um fenômeno de condução que existe na presença de um campo eletromagnético.
Esses resultados mostram que seu campo eletromagnético sintético se comporta como o campo actual.
Seguindo em frente, eles poderiam usar essa técnica para estudar com precisão fenômenos complexos na física da matéria condensada, como transições de fase que ocorrem quando um materials muda de condutor para isolante.
“Um recurso interessante do nosso emulador é que precisamos apenas alterar a amplitude ou frequência da modulação para imitar um sistema de materials diferente. Dessa forma, podemos examinar muitas propriedades de materiais ou parâmetros de modelo sem ter que fabricar fisicamente um novo dispositivo a cada vez.” diz Oliver.
Embora este trabalho tenha sido uma demonstração inicial de um campo eletromagnético sintético, ele abre a porta para muitas descobertas potenciais, diz Rosen.
“A beleza dos computadores quânticos é que podemos ver exatamente o que está acontecendo a cada momento em cada qubit, por isso temos todas essas informações à nossa disposição. Estamos em uma situação muito emocionante para o futuro”, acrescenta.
Este trabalho é apoiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA), pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Instituto Oak Ridge para Ciência e Educação, pelo Escritório do Diretor de Inteligência Nacional, NASA e a Fundação Nacional de Ciência.
