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Pesquisadores da Áustria e dos EUA projetaram um novo tipo de computador quântico que usa átomos fermiônicos para simular sistemas físicos complexos. O processador usa matrizes de átomos neutros programáveis e é capaz de simular modelos fermiônicos de maneira eficiente em termos de hardware usando portas fermiônicas. A equipe liderada por Peter Zoller demonstrou como o novo processador quântico pode simular com eficiência modelos fermiônicos da química quântica e da física de partículas.
Átomos fermiônicos são átomos que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, o que significa que dois deles não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente. Isto os torna ideais para simular sistemas onde as estatísticas fermiônicas desempenham um papel crucial, como moléculas, supercondutores e plasmas de quark-glúon. “Em computadores quânticos baseados em qubit, recursos extras precisam ser dedicados para simular essas propriedades, geralmente na forma de qubits adicionais ou circuitos quânticos mais longos”, explica Daniel Gonzalez Cuadra, do grupo de pesquisa liderado por Peter Zoller no Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências (ÖAW) e do Departamento de Física Teórica da Universidade de Innsbruck, Áustria.
Informação quântica em partículas fermiônicas
Um processador quântico fermiônico é composto por um registro fermiônico e um conjunto de portas quânticas fermiônicas. “O registro consiste em um conjunto de modos fermiônicos, que podem estar vazios ou ocupados por um único férmion, e esses dois estados formam a unidade local de informação quântica”, diz Daniel Gonzalez Cuadra. “O estado do sistema que queremos simular, como uma molécula composta por muitos elétrons, será em geral uma superposição de muitos padrões de ocupação, que podem ser codificados diretamente neste registro.” Esta informação é então processada usando um circuito quântico fermiônico, projetado para simular, por exemplo, a evolução temporal de uma molécula. Qualquer circuito desse tipo pode ser decomposto em uma sequência de apenas dois tipos de portas fermiônicas, uma porta de túnel e uma porta de interação.
Os pesquisadores propõem capturar átomos fermiônicos em uma série de pinças ópticas, que são feixes de laser altamente focados que podem segurar e mover átomos com alta precisão. “O conjunto necessário de portas quânticas fermiônicas pode ser implementado nativamente nesta plataforma: portas de tunelamento podem ser obtidas controlando o tunelamento de um átomo entre duas pinças ópticas, enquanto as portas de interação são implementadas excitando primeiro os átomos para os estados de Rydberg, carregando um forte momento dipolar”, diz Gonzalez Cuadra.
Química quântica para física de partículas
O processamento quântico fermiônico é particularmente útil para simular as propriedades de sistemas compostos por muitos férmions em interação, como elétrons em uma molécula ou em um material, ou quarks dentro de um próton, e tem, portanto, aplicações em muitos campos, desde a química quântica até a física de partículas. . Os pesquisadores demonstram como seu processador quântico fermiônico pode simular com eficiência modelos fermiônicos da química quântica e da teoria de calibre de rede, que são dois campos importantes da física difíceis de resolver com computadores clássicos. “Ao usar férmions para codificar e processar informações quânticas, algumas propriedades do sistema simulado são intrinsecamente garantidas no nível do hardware, o que exigiria recursos adicionais em um computador quântico padrão baseado em qubit”, diz Daniel Gonzalez Cuadra. “Estou muito entusiasmado com o futuro do campo e gostaria de continuar contribuindo para isso, identificando as aplicações mais promissoras para o processamento quântico fermiônico e projetando algoritmos personalizados que possam ser executados em dispositivos de curto prazo.”
Os resultados atuais foram publicados no Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS). A pesquisa foi apoiada financeiramente pelo Fundo Austríaco para a Ciência FWF, pela União Europeia e pela Fundação Simons, entre outros.
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