A ligação entre os computadores quânticos e os cristais do tempo está se tornando mais forte. Quando o físico teórico americano e vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2004, Frank Wilczek propôs a formulação teórica desses cristais em 2012, boa parte da comunidade científica levantou a mão. A ideia de Wilczek era contrária às leis da física, especialmente à segunda lei da termodinâmica.
Esta lei fundamental afirma que a entropia de um sistema termodinâmico isolado sempre aumenta com o passar do tempo até atingir um estado de equilíbrio em que é máxima. Explicar rigorosamente o que é entropia só complicaria ainda mais o artigo, mas podemos intuir este conceito de forma simples desde que, claro, aceitemos sacrificar um pouco de rigor. A entropia é geralmente formulada como o grau de desordem naturalmente presente em um sistema físico.
Esta descrição envolve uma simplificação excessiva, mas convida-nos a explorar uma consequência essencial do segundo princípio da termodinâmica: a impossibilidade de reverter um fenômeno físico. Além disso, o que Wilczek propôs também parecia atacar o primeiro princípio da termodinâmica, ou o princípio da conservação da energia, que estabelece fundamentalmente que a energia não é criada nem destruída; torna-se.
Existem cristais de tempo e também beneficiam computadores quânticos
Em primeiro lugar, um cristal do tempo é simplesmente um cristal. E um cristal é uma estrutura de matéria cujos átomos estão dispostos de forma homogênea e ordenada, dando forma a um padrão que se repete periodicamente pelo espaço. Durante uma de suas aulas no MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts), ocorreu a Frank Wilczek que poderia haver um tipo diferente de cristais cuja estrutura atômica, em vez de se repetir no espaço, se repetia periodicamente ao longo do tempo.
É difícil imaginar algo assim e, como vimos nos primeiros parágrafos deste artigo, a comunidade científica acolheu a ideia com grande suspeita porque parecia contrariar as leis da física. Além disso, fazer um cristal do tempo como os propostos por Wilczek exigia encontrar uma maneira de quebrando espontaneamente a simetria temporal, e naquela época esse propósito parecia inatingível. Um objeto estável isolado de qualquer perturbação permanece inalterado ao longo do tempo, preservando assim a simetria da translação temporal.
O grupo de pesquisa da Universidade de Lancaster liderado pelo físico Samuli Autti conseguiu desenvolver o primeiro cristal temporal em meados de 2022.
Felizmente, o grupo de pesquisa da Universidade de Lancaster, no Reino Unido, liderado pelo físico Samuli Autti, conseguiu desenvolver o primeiro em meados de 2022. No artigo que este grupo de pesquisa publicou na Nature Communications, ele explicou que seu tempo cristais Eles são compostos de magnons. E o curioso é que esses elementos não são partículas; São quasipartículas de spin 1 capazes de transportar energia e momento em um cristal.
Esta definição é complicada, mas podemos ter uma ideia aproximada sobre o que é um magnon se o identificarmos como resultado da excitação simultânea do spin de um conjunto de elétrons. Esta explicação de Francis Villatoro ajuda-nos a consolidar um pouco melhor esta ideia: “Podemos dizer que um magnon é o equivalente quântico de uma onda de spin, assim como um fônon é o equivalente quântico de uma onda elástica em um sólido”.
A estratégia que estes físicos traçaram para recriar os magnons consiste em resfriar o hélio-3, que é um isótopo estável do hélio, até atingir uma temperatura muito próxima do zero absoluto (-273,15 graus Celsius). Nessas condições, o hélio-3 adquire propriedades de superfluido e promove o aparecimento espontâneo de cristais do tempo, de forma que cada um deles é composto por um trilhão de magnons. E é um bilhão nosso, não dos anglo-saxões.
Um magnon é o resultado da excitação simultânea do spin de um conjunto de elétrons
Em seu artigo, Autti e seus colegas de pesquisa afirmaram que os cristais do tempo que recriaram exibiam as mesmas propriedades teoricamente formuladas por Frank Wilczek. E, o que é ainda mais surpreendente, propuseram usá-los para medir tempo e distância com extrema precisão. Se assim for, provavelmente poderiam ser usados para desenvolver GPS mais precisos, equipamentos de telecomunicações mais avançados, sistemas de criptografia mais robustos e até mesmo para processar informações quânticas, porque é possível usá-los para fabricar qubits de maior qualidade.
Desde então, outros grupos de pesquisa seguiram os passos da equipe liderada por Autti e desenvolveram seus próprios cristais do tempo. Um deles pertence à Universidade da Academia Chinesa de Ciências e publicou um artigo científico muito interessante no arXiv no qual explica qual procedimento seguiu para aumentar a estabilidade do estado interno de um computador quântico usando, precisamente, um tempo cristal. .
As condições que devem ser preservadas para manter o estado interno dos qubits são tão exigentes que estas máquinas “esquecem” com alguma facilidade a informação com que trabalham. Este fenômeno é conhecido como decoerência quânticae quando o computador quântico aparece ele perde a vantagem que os efeitos quânticos lhe conferem e passa a se comportar como um computador clássico (explicamos esse mecanismo com mais detalhes neste artigo).
A equipe de cientistas chineses liderada por Biao Huang conseguiu desenvolver um método que lhes permitiu usar um cristal do tempo para prolongar o período durante o qual o emaranhado quântico entre qubits é mantido. À medida que o número de qubits num computador quântico aumenta, é mais difícil preservar o emaranhamento, pelo que este mecanismo de controlo tem a capacidade de contribuir significativamente para o dimensionamento de futuras máquinas quânticas. Esta é, curiosamente, a primeira aplicação prática de um cristal do tempo, pelo que com um pouco de sorte existe a possibilidade de no futuro existirem outras aplicações tão inovadoras como esta.
Imagens | IBM
Mais informações | Universidade da Academia Chinesa de Ciências
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