Com centros de spin, a computação quântica dá um passo à frente

A computação quântica, que usa as leis da mecânica quântica, pode resolver problemas urgentes em uma ampla gama de campos, da medicina ao aprendizado de máquina, que são muito complexos para computadores clássicos.

Simuladores quânticos são dispositivos feitos de unidades quânticas interativas que podem ser programadas para simular modelos complexos do mundo físico. Cientistas podem então obter informações sobre esses modelos e, por extensão, sobre o mundo real, variando as interações de forma controlada e medindo o comportamento resultante dos simuladores quânticos.

Em um artigo publicado em Revisão Física Buma equipe de pesquisa liderada pela UC Riverside propôs uma cadeia de objetos magnéticos quânticos, chamados centros de spin, que, na presença de um campo magnético externo, podem simular quanticamente uma variedade de fases magnéticas da matéria, bem como as transições entre essas fases.

“Estamos projetando novos dispositivos que abrigam os centros de spin e podem ser usados ​​para simular e aprender sobre fenômenos físicos interessantes que não podem ser totalmente estudados com computadores clássicos”, disse Shan-Wen Tsai, professor de física e astronomia, que liderou a equipe de pesquisa. “Os centros de spin em materiais de estado sólido são objetos quânticos localizados com grande potencial inexplorado para o design de novos simuladores quânticos.”

De acordo com Troy Losey, aluno de pós-graduação de Tsai e primeiro autor do artigo, os avanços nesses dispositivos podem tornar possível estudar maneiras mais eficientes de armazenar e transferir informações, além de desenvolver métodos necessários para criar computadores quânticos em temperatura ambiente.

“Temos muitas ideias sobre como fazer melhorias em simuladores quânticos baseados em centros de spin em comparação com este dispositivo proposto inicialmente”, disse ele. “Empregar essas novas ideias e considerar arranjos mais complexos de centros de spin pode ajudar a criar simuladores quânticos que sejam fáceis de construir e operar, ao mesmo tempo em que são capazes de simular física nova e significativa.”

Tsai e Losey respondem a perguntas sobre a pesquisa:

O que é um simulador quântico?

Tsai: É um dispositivo que explora os comportamentos incomuns da mecânica quântica para simular física interessante que é muito difícil para um computador comum calcular. Diferentemente de computadores quânticos que operam com qubits e operações de porta universal, simuladores quânticos são projetados individualmente para simular/resolver problemas específicos.

Ao trocar a programabilidade universal dos computadores quânticos pela exploração da riqueza de diferentes interações quânticas e arranjos geométricos, os simuladores quânticos podem ser mais fáceis de implementar e fornecer novas aplicações para dispositivos quânticos, o que é relevante porque os computadores quânticos ainda não são universalmente úteis.

Um centro de spin é um objeto magnético quântico do tamanho aproximado de um átomo que pode ser colocado em um cristal. Ele pode armazenar informações quânticas, comunicar-se com outros centros de spin e ser controlado com lasers.

Quais são algumas aplicações deste trabalho?

Losey: Podemos construir o simulador quântico proposto para simular fases magnéticas exóticas da matéria e as transições de fase entre elas. Essas transições de fase são de grande interesse porque nessas transições os comportamentos de sistemas muito diferentes se tornam idênticos, o que implica que há fenômenos físicos subjacentes conectando esses diferentes sistemas.

As técnicas usadas para construir este dispositivo também podem ser usadas para computadores quânticos baseados em centros de spin, que são os principais candidatos para o desenvolvimento de computadores quânticos em temperatura ambiente, enquanto a maioria dos computadores quânticos requer temperaturas extremamente baixas para funcionar.

Além disso, nosso dispositivo assume que os centros de spin são colocados em uma linha reta, mas é possível colocar os centros de spin em arranjos de até 3 dimensões. Isso poderia permitir o estudo de dispositivos de informação baseados em spin que são mais eficientes do que métodos que são usados ​​atualmente por computadores.

Como os simuladores quânticos são mais fáceis de construir e operar do que os computadores quânticos, atualmente podemos usá-los para resolver certos problemas que os computadores comuns não conseguem resolver, enquanto esperamos que os computadores quânticos se tornem mais refinados.

No entanto, isso não significa que simuladores quânticos possam ser construídos sem desafios, pois estamos apenas agora perto de ser bons o suficiente em manipular centros de spin, cultivar cristais puros e trabalhar em baixas temperaturas para construir o simulador quântico que propomos.