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Pesquisadores da National University of Singapore (NUS) simularam com sucesso redes topológicas de ordem superior (HOT) com precisão sem precedentes usando computadores quânticos digitais. Essas estruturas de rede complexas podem nos ajudar a entender materiais quânticos avançados com estados quânticos robustos que são altamente procurados em várias aplicações tecnológicas.
O estudo de estados topológicos da matéria e suas contrapartes HOT atraiu considerável atenção entre físicos e engenheiros. Esse interesse fervoroso decorre da descoberta de isolantes topológicos — materiais que conduzem eletricidade apenas na superfície ou bordas — enquanto seus interiores permanecem isolantes. Devido às propriedades matemáticas únicas da topologia, os elétrons que fluem ao longo das bordas não são prejudicados por quaisquer defeitos ou deformações presentes no material. Portanto, dispositivos feitos de tais materiais topológicos têm grande potencial para uma tecnologia de transporte ou transmissão de sinal mais robusta.
Usando interações quânticas de muitos corpos, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Professor Assistente Lee Ching Hua do Departamento de Física da Faculdade de Ciências da NUS desenvolveu uma abordagem escalável para codificar grandes redes HOT de alta dimensão representativas de materiais topológicos reais nas cadeias de spin simples que existem nos computadores quânticos digitais atuais. Sua abordagem aproveita as quantidades exponenciais de informações que podem ser armazenadas usando qubits de computadores quânticos, ao mesmo tempo em que minimiza os requisitos de recursos de computação quântica de uma maneira resistente a ruídos. Essa descoberta abre uma nova direção na simulação de materiais quânticos avançados usando computadores quânticos digitais, desbloqueando assim um novo potencial na engenharia de materiais topológicos.
Os resultados desta pesquisa foram publicados na revista Comunicações da Natureza.
Professor Assistente Lee disse: “Estudos inovadores existentes em vantagem quântica são limitados a problemas altamente específicos e personalizados. Encontrar novas aplicações para as quais os computadores quânticos fornecem vantagens únicas é a motivação central do nosso trabalho.”
“Nossa abordagem nos permite explorar as assinaturas complexas de materiais topológicos em computadores quânticos com um nível de precisão que antes era inatingível, mesmo para materiais hipotéticos existentes em quatro dimensões”, acrescentou o professor assistente Lee.
Apesar das limitações dos atuais dispositivos quânticos de escala intermediária ruidosos (NISQ), a equipe é capaz de medir a dinâmica do estado topológico e espectros de gap médio protegidos de redes topológicas de ordem superior com precisão sem precedentes graças às avançadas técnicas de mitigação de erros desenvolvidas internamente. Esse avanço demonstra o potencial da tecnologia quântica atual para explorar novas fronteiras na engenharia de materiais. A capacidade de simular redes HOT de alta dimensão abre novas direções de pesquisa em materiais quânticos e estados topológicos, sugerindo uma rota potencial para alcançar uma verdadeira vantagem quântica no futuro.
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