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Os cientistas desenvolveram, pela primeira vez, um experimento quântico que lhes permite estudar a dinâmica, ou comportamento, de um tipo especial de buraco de minhoca teórico. O experimento não criou um buraco de minhoca real (uma ruptura no espaço e no tempo), mas permite que os pesquisadores investiguem as conexões entre os buracos de minhoca teóricos e a física quântica, uma previsão da chamada gravidade quântica. A gravidade quântica refere-se a um conjunto de teorias que buscam conectar a gravidade com a física quântica, duas descrições fundamentais e bem estudadas da natureza que parecem inerentemente incompatíveis entre si.
“Encontramos um sistema quântico que exibe propriedades-chave de um buraco de minhoca gravitacional, mas é suficientemente pequeno para ser implementado no hardware quântico de hoje”, diz Maria Spiropulu, investigadora principal do programa de pesquisa do Departamento de Energia dos EUA, Canais de comunicação quântica para física fundamental. (QCCFP) e Shang-Yi Ch’en Professor de Física da Caltech. “Este trabalho constitui um passo em direção a um programa maior de teste da física da gravidade quântica usando um computador quântico. , mas oferece um poderoso campo de teste para exercitar ideias de gravidade quântica.”
A pesquisa será publicada em 1º de dezembro na revista Natureza. Os primeiros autores do estudo são Daniel Jafferis, da Universidade de Harvard, e Alexander Zlokapa (BS ’21), um ex-aluno da Caltech que iniciou este projeto para sua tese de bacharelado com Spiropulu e desde então passou para a pós-graduação no MIT.
Wormholes são pontes entre duas regiões remotas no espaço-tempo. Eles não foram observados experimentalmente, mas os cientistas teorizaram sobre sua existência e propriedades por quase 100 anos. Em 1935, Albert Einstein e Nathan Rosen descreveram os buracos de minhoca como túneis através do tecido do espaço-tempo de acordo com a teoria geral da relatividade de Einstein, que descreve a gravidade como uma curvatura do espaço-tempo. Os pesquisadores chamam os buracos de minhoca de pontes de Einstein-Rosen em homenagem aos dois físicos que os invocaram, enquanto o próprio termo “buraco de minhoca” foi cunhado pelo físico John Wheeler na década de 1950.
A noção de que os buracos de minhoca e a física quântica, especificamente o emaranhamento (um fenômeno no qual duas partículas podem permanecer conectadas através de grandes distâncias), podem ter uma conexão foi proposta pela primeira vez na pesquisa teórica de Juan Maldacena e Leonard Susskind em 2013. Os físicos especularam que os buracos de minhoca ( ou “ER”) eram equivalentes ao emaranhamento (também conhecido como “EPR” em homenagem a Albert Einstein, Boris Podolsky [PhD ’28], e Nathan Rosen, que primeiro propôs o conceito). Em essência, este trabalho estabeleceu um novo tipo de ligação teórica entre os mundos da gravidade e da física quântica. “Foi uma ideia muito ousada e poética”, diz Spiropulu do trabalho ER = EPR.
Mais tarde, em 2017, Jafferis, junto com seus colegas Ping Gao e Aron Wall, estendeu a ideia ER = EPR não apenas para buracos de minhoca, mas também para buracos de minhoca atravessáveis. Os cientistas inventaram um cenário em que a energia repulsiva negativa mantém um buraco de minhoca aberto por tempo suficiente para que algo passe de uma extremidade à outra. Os pesquisadores mostraram que essa descrição gravitacional de um buraco de minhoca atravessável é equivalente a um processo conhecido como teletransporte quântico. No teletransporte quântico, um protocolo que foi demonstrado experimentalmente em longas distâncias via fibra ótica e no ar, a informação é transportada pelo espaço usando os princípios do emaranhamento quântico.
O presente trabalho explora a equivalência de buracos de minhoca com teletransporte quântico. A equipe liderada pela Caltech realizou os primeiros experimentos que investigam a ideia de que a informação que viaja de um ponto a outro no espaço pode ser descrita na linguagem da gravidade (os buracos de minhoca) ou na linguagem da física quântica (emaranhamento quântico).
Uma descoberta importante que inspirou possíveis experimentos ocorreu em 2015, quando Alexei Kitaev, da Caltech, professor de física teórica e matemática de Ronald e Maxine Linde, mostrou que um sistema quântico simples poderia exibir a mesma dualidade posteriormente descrita por Gao, Jafferis e Wall, como que a dinâmica quântica do modelo é equivalente aos efeitos da gravidade quântica. Este Sachdev-Ye-Kitaev, ou modelo SYK (em homenagem a Kitaev, e Subir Sachdev e Jinwu Ye, dois outros pesquisadores que trabalharam em seu desenvolvimento anteriormente) levou os pesquisadores a sugerir que algumas ideias teóricas de buracos de minhoca poderiam ser estudadas mais profundamente fazendo experimentos em processadores quânticos.
Aprofundando essas ideias, em 2019, Jafferis e Gao mostraram que, ao emaranhar dois modelos SYK, os pesquisadores deveriam ser capazes de realizar o teletransporte de buracos de minhoca e, assim, produzir e medir as propriedades dinâmicas esperadas de buracos de minhoca atravessáveis.
No novo estudo, a equipe de físicos realizou esse tipo de experimento pela primeira vez. Eles usaram um modelo semelhante ao SYK “bebê” preparado para preservar as propriedades gravitacionais e observaram a dinâmica do buraco de minhoca em um dispositivo quântico no Google, ou seja, o processador quântico Sycamore. Para conseguir isso, a equipe teve que primeiro reduzir o modelo SYK a uma forma simplificada, feito que eles conseguiram usando ferramentas de aprendizado de máquina em computadores convencionais.
“Empregamos técnicas de aprendizado para encontrar e preparar um sistema quântico simples do tipo SYK que pudesse ser codificado nas arquiteturas quânticas atuais e que preservasse as propriedades gravitacionais”, diz Spiropulu. “Em outras palavras, simplificamos a descrição microscópica do sistema quântico SYK e estudamos o modelo efetivo resultante que encontramos no processador quântico. É curioso e surpreendente como a otimização de uma característica do modelo preservou as outras métricas! Temos planeja mais testes para obter melhores insights sobre o próprio modelo.”
No experimento, os pesquisadores inseriram um qubit – o equivalente quântico de um bit em computadores convencionais baseados em silício – em um de seus sistemas semelhantes ao SYK e observaram a informação emergir do outro sistema. A informação viajou de um sistema quântico para o outro via teletransporte quântico – ou, falando na linguagem complementar da gravidade, a informação quântica passou pelo buraco de minhoca atravessável.
“Realizamos uma espécie de teletransporte quântico equivalente a um buraco de minhoca atravessável na imagem da gravidade. Para fazer isso, tivemos que simplificar o sistema quântico ao menor exemplo que preservasse as características gravitacionais para que pudéssemos implementá-lo no processador quântico Sycamore do Google, ” diz Zlokapa.
A coautora Samantha Davis, estudante de pós-graduação da Caltech, acrescenta: “Demorou muito tempo para chegar aos resultados e nos surpreendemos com o resultado”.
“O significado de curto prazo desse tipo de experimento é que a perspectiva gravitacional fornece uma maneira simples de entender um misterioso fenômeno quântico de muitas partículas”, diz John Preskill, professor Richard P. Feynman de física teórica da Caltech e diretor do Instituto de Informação e Matéria Quântica (IQIM). “O que achei interessante sobre esse novo experimento do Google é que, por meio do aprendizado de máquina, eles conseguiram tornar o sistema simples o suficiente para simular em uma máquina quântica existente, mantendo uma caricatura razoável do que a imagem da gravitação prevê”.
No estudo, os físicos relatam o comportamento do buraco de minhoca esperado tanto da perspectiva da gravidade quanto da física quântica. Por exemplo, embora a informação quântica possa ser transmitida pelo dispositivo ou teletransportada de várias maneiras, o processo experimental mostrou-se equivalente, pelo menos em alguns aspectos, ao que poderia acontecer se a informação viajasse por um buraco de minhoca. Para fazer isso, a equipe tentou “abrir o buraco de minhoca” usando pulsos de energia repulsiva negativa ou o oposto, energia positiva. Eles observaram assinaturas-chave de um buraco de minhoca atravessável apenas quando o equivalente à energia negativa foi aplicado, o que é consistente com o comportamento esperado dos buracos de minhoca.
“A alta fidelidade do processador quântico que usamos foi essencial”, diz Spiropulu. “Se as taxas de erro fossem 50% maiores, o sinal teria sido totalmente obscurecido. Se fossem pela metade, teríamos 10 vezes o sinal!”?
No futuro, os pesquisadores esperam estender esse trabalho a circuitos quânticos mais complexos. Embora os computadores quânticos de boa-fé ainda possam estar a anos de distância, a equipe planeja continuar a realizar experimentos dessa natureza em plataformas de computação quântica existentes.
“A relação entre emaranhamento quântico, espaço-tempo e gravidade quântica é uma das questões mais importantes da física fundamental e uma área ativa de pesquisa teórica”, diz Spiropulu. “Estamos empolgados em dar este pequeno passo para testar essas ideias em hardware quântico e continuaremos”.
O estudo intitulado “Dinâmica de buraco de minhoca atravessável em um processador quântico” foi financiado pelo Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA por meio do programa de pesquisa QCCFP. Outros autores incluem: Joseph Lykken do Fermilab; David Kolchmeyer, anteriormente em Harvard e agora pós-doutorado no MIT; Nikolai Lauk, ex-pós-doutorado na Caltech; e Hartmut Neven do Google.
Mais informações podem ser encontradas no site da Alliance for Quantum Technologies: https://inqnet.caltech.edu/wormhole2022.
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