Espera-se que as tecnologias quânticas mudem a forma como conjuntos de dados grandes e complexos são processados. Embora atualmente seja usado principalmente em ambientes laboratoriais e de pesquisa, o campo está avançando constantemente em direção a aplicações práticas em todos os setores.
Num estudo recente que explorou os fundamentos da física quântica, os investigadores estudaram como a matéria se comporta em escalas extremamente pequenas, incluindo átomos, eletrões e fotões. O trabalho, liderado por Ian Powell, professor do Departamento de Física da Caltech, concentrou-se em como as mudanças nos campos magnéticos ao longo do tempo podem fazer com que a matéria exiba propriedades incomuns e nunca antes vistas.
Powell e o estudante pesquisador Louis Buchalter, que se formou em física pela Caltech em 2025, publicaram um artigo na Physical Review B intitulado “Engenharia Floquet de comutação de fluxo”. A sua investigação mostra que quando os campos magnéticos mudam de forma controlada e dependente do tempo, podem criar estados quânticos não presentes no material que permanecem inalterados ao longo do tempo (permanecendo no mesmo estado ao longo do tempo).
“A um nível macroscópico, penso que isto é um progresso na nossa compreensão de como o controlo dependente do tempo cria e organiza novas formas de matéria quântica”, disse Powell. “A ideia central é que as propriedades quânticas úteis dependem não apenas de qual é o material, mas também de como ele é acionado no tempo. No nosso caso, mostramos que a mudança periódica de um campo magnético pode produzir uma fase quântica acionada que não tem contraparte estática.”
Rumo a tecnologias quânticas mais estáveis
Ao cronometrar cuidadosamente como os campos magnéticos são aplicados, os cientistas podem projetar sistemas quânticos com propriedades mais estáveis e menos suscetíveis a “ruído” ou defeitos. Essas interrupções são um grande desafio nas tecnologias quânticas, muitas vezes levando a erros computacionais ou de desempenho do sistema.
Powell observou que embora os detalhes técnicos possam ser difíceis de explicar fora do campo, o conceito mais amplo é claro. As descobertas sugerem novas maneiras de criar e estudar esses estados quânticos incomuns em ambientes controlados, como experimentos com átomos ultrafrios.
“A relevância industrial mais imediata de nossa pesquisa é para a computação quântica e simulação quântica, e não para setores específicos de uso final neste estágio”, disse Powell. “Qualquer impacto final em áreas como farmacêutica, finanças, manufatura ou aeroespacial provavelmente será indireto, promovendo o desenvolvimento a longo prazo de melhores tecnologias quânticas. Para avançar em direção a aplicações industriais, o próximo passo será a experimentação e a conexão adicional dessas ideias com plataformas realistas de dispositivos quânticos.”
Novos padrões matemáticos em sistemas quânticos
Além de criar novos estados quânticos, a pesquisa identificou um princípio de organização matemática que reflete padrões comumente encontrados em sistemas quânticos de dimensões superiores. Isto sugere que sistemas relativamente simples, impulsionados por condições variáveis, poderiam fornecer novas maneiras de explorar a física quântica mais complexa.
A equipe também mapeou como esses estados exóticos são formados, revelando a estrutura precisa no diagrama de fases topológicas do sistema. Este diagrama serve como um guia visual para as diferentes fases quânticas estáveis, cada uma definida por propriedades topológicas fixas.
Por que o controle quântico é importante para a computação
A mecânica quântica permite que os sistemas de computação processem informações de maneiras que excedem em muito as capacidades dos computadores clássicos. Esses sistemas podem realizar simulações em larga escala, analisar grandes conjuntos de dados e resolver problemas complexos com mais eficiência.
Os campos magnéticos desempenham um papel central neste processo. Eles são frequentemente usados para controlar e medir bits quânticos (ou qubits), as unidades básicas de informação quântica. Qubits são equivalentes às unidades de 0 e 1 usadas para representar estados elétricos físicos na computação clássica (atualmente usadas na computação comum).
Experiências de pesquisa de estudantes e empregos futuros
Para Bouchardt, participar deste estudo proporcionou insights valiosos sobre o processo de pesquisa e comunicação científica.
“Muito tem a ver com o processo de condução de pesquisas e como comunicar efetivamente novas descobertas à comunidade científica mais ampla.”
“Aprendi que a pesquisa raramente é um processo simples e muitas vezes requer persistência e solução criativa de problemas durante o projeto de pesquisa”, disse Buchalter. “Acredito que nossos resultados ajudam a demonstrar o poder da engenharia Floquet na realização de sistemas quânticos com propriedades altamente ajustáveis, abrindo caminho para futuras pesquisas sobre matéria quântica impulsionada periodicamente e o desenvolvimento de suas aplicações.”
Buchalter planeja iniciar um programa de mestrado em ciência de materiais e engenharia na Universidade de Washington no outono, onde se concentrará em estudos experimentais de matéria quântica. Ele também está considerando uma futura carreira no desenvolvimento de dispositivos quânticos em um laboratório nacional.
“Originalmente assumi este projeto porque estava interessado na física da matéria condensada, mas através da minha experiência, fiquei fascinado pelo campo dos materiais quânticos”, disse Buchalter. “Tenho muito interesse em continuar estudando a matéria quântica e ajudar a desenvolver suas aplicações em dispositivos eletrônicos e fotônicos.”
