Os cristais de tempo mais complexos foram criados dentro de computadores quânticos

Cristais de tempo mais complexos do que nunca foram criados em computadores quânticos. Explorar as propriedades desta configuração quântica incomum fortalece o argumento dos computadores quânticos como máquinas adequadas para descobertas científicas.

Um cristal típico tem átomos dispostos em um certo padrão repetitivo no espaço, mas um cristal temporal é definido por um padrão repetitivo no tempo. Os cristais do tempo percorrem repetidamente o mesmo conjunto de configurações e, salvo quaisquer influências adversas do seu ambiente, devem continuar a girar indefinidamente.

Esse movimento infinito inicialmente fez com que os cristais do tempo parecessem uma ameaça às leis básicas da física, mas na última década os pesquisadores criaram vários deles em laboratório. Agora, Nicolas Lorente no Centro Internacional de Física de Donostia, na Espanha, e colegas usaram o computador quântico supercondutor da IBM para criar um cristal de tempo complexo sem precedentes.

Embora a maioria das pesquisas anteriores se concentrasse em cristais de tempo unidimensionais, que podem ser comparados a linhas nítidas de átomos, os pesquisadores estão começando a criar versões bidimensionais. Para atingir esse objetivo, eles usaram 144 qubits supercondutores dispostos em um padrão interligado como um favo de mel. Cada qubit se comporta de maneira semelhante a um spin da mecânica quântica e a equipe pode controlar como os qubits próximos interagem entre si.

A variação dessas interações ao longo do tempo é o que dá origem aos cristais de tempo, mas os pesquisadores também podem programar essas interações para terem padrões de força mais complexos do que experimentos anteriores de computação quântica com cristais de tempo.

Ser capaz de atingir este novo nível de complexidade permitiu à equipe não apenas criar cristais de tempo mais complexos do que jamais haviam sido produzidos com um computador quântico antes, mas também começar a mapear as características de sistemas qubit inteiros para obter “diagramas de fase”. Completar um diagrama de fases é um passo importante para compreender as propriedades de um material – um diagrama de fases da água, por exemplo, revela se a água é líquida, sólida ou gasosa a uma determinada temperatura e pressão.

Jaime Garcia da IBM disse que este experimento pode ser o primeiro de muitos passos que podem eventualmente levar a computadores quânticos que ajudam a projetar novos materiais com base em uma imagem mais completa de todas as propriedades possíveis que os sistemas quânticos possuem, incluindo propriedades estranhas como cristais de tempo.

O modelo que os pesquisadores queriam emular, que tinha cristais de tempo em seu diagrama de fases, já era complexo o suficiente para que os computadores convencionais não pudessem simulá-lo sem aproximação. Ao mesmo tempo, todos os computadores quânticos existentes estão sujeitos a erros, pelo que os investigadores têm de utilizar esses métodos convencionais para estimar onde os resultados quânticos podem tornar-se pouco fiáveis. Este conflito entre as aproximações dos métodos convencionais e as abordagens quânticas exatas, mas propensas a erros, poderia aprimorar nossa compreensão de muitos modelos quânticos complexos para materiais no futuro, disse Garcia.

“Sistemas bidimensionais são praticamente muito desafiadores para simular numericamente, então simulações quânticas em grande escala com mais de 100 qubits serão um ponto de referência para pesquisas futuras”, disse Biao Huang na Universidade da Academia Chinesa de Ciências. Ele disse que o novo estudo representa um avanço experimental emocionante para diversas áreas do estudo de materiais quânticos. Em particular, poderia ajudar a conectar cristais de tempo, que podem ser simulados em computadores quânticos, a estados semelhantes que podem ser criados em alguns tipos de sensores quânticos, disse Huang.