A semelhança inesperada entre as físicas quântica e clássica

Usando um pequeno sistema quântico composto de três qubits supercondutores, os pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara (UCSB), nos EUA, e do Google descobriram uma ligação entre aspectos da física clássica e da física quântica que pensava-se que eram desconectados: o caos clássico e o entrelaçamento quântico. Os resultados sugerem que seria possível usar sistemas quânticos controláveis para investigar certos aspectos fundamentais da natureza.

“É de certa forma surpreendente, porque o caos é um conceito totalmente clássico – não há nenhuma ideia de caos em um sistema quântico”, diz Charles Neill, pesquisador no Departamento de Física da UCSB e autor principal do artigo que aparece na revista Nature Physics. “Da mesma forma, não há nenhum conceito de entrelaçamento no âmbito dos sistemas clássicos. E, no entanto, verifica-se que o caos e o entrelaçamento estão, na verdade, relacionados de maneira forte e clara”.

Escalas diferentes

Iniciada no século 15, a física clássica em geral examina e descreve sistemas maiores do que átomos e moléculas. Ela é composta por centenas de anos de estudo, incluindo as leis do movimento de Newton, a eletrodinâmica, a relatividade, a termodinâmica, bem como teoria do caos, campo que estuda o comportamento de sistemas altamente sensíveis e imprevisíveis. Um exemplo clássico da teoria do caos é o clima, em que uma mudança relativamente pequena em uma parte do sistema é suficiente para acabar com previsões – e temporadas de férias – em qualquer lugar do globo.

Em escalas menores de tamanho e comprimento na natureza, no entanto, como os que envolvem átomos e fótons e seus comportamentos, a física clássica não é suficiente. No início do século 20, a física quântica surgiu, com a sua ciência aparentemente contraditória e às vezes controversa, incluindo as noções de superposição (a teoria de que uma partícula pode estar localizada em vários lugares ao mesmo tempo) e entrelaçamento (partículas que estão profundamente ligadas se comportam como tal, apesar da distância física entre si).

E assim começou a busca contínua de conexões entre os dois campos.

Caos e entrelaçamento

Todos os sistemas são fundamentalmente sistemas quânticos, de acordo com Neill, mas como descrever em um sentido quântico o comportamento caótico de, por exemplo, moléculas de ar em uma sala no vácuo, continua a ser algo limitado.

“Imagine pegar um balão cheio de moléculas de ar, de alguma forma marcá-las para que você possa vê-las e, em seguida, liberá-las em uma sala sem moléculas de ar”, pede o coautor e pesquisador da UCSB e do Google, Pedram Roushan. “Um resultado possível é que as moléculas de ar permaneçam agrupadas em uma pequena nuvem seguindo a mesma trajetória ao redor da sala. E, no entanto, como nós podemos intuir, as moléculas mais provavelmente vão partir em uma variedade de velocidades e direções, batendo nas paredes e interagindo umas com as outras, descansando depois que a sala estiver suficientemente cheia delas”.

“A física subjacente é o caos, essencialmente”, explica Roushan. As moléculas que descansam, pelo menos no nível macroscópico, são o resultado da estabilização térmica, ou de terem alcançado o equilíbrio depois de terem atingido a saturação uniforme dentro do sistema. Mas no mundo infinitesimal da física quântica, ainda há pouco para descrever esse comportamento. A matemática da mecânica quântica, Roushan afirma, não permite o caos descrito pelas leis do movimento de Newton.

Para investigar, os pesquisadores elaboraram um experimento usando três bits quânticos, as unidades computacionais básicas do computador quântico. Ao contrário de bits de computadores clássicos, que utilizam um sistema binário de dois estados possíveis (zero ou um), um qubit pode também usar uma superposição de dois estados (zero e um) como um único estado. Além disso, vários qubits podem emaranhar-se, ou se conectarem tão perto uns dos outros que suas medições irão se correlacionar automaticamente. Ao manipular esses qubits com pulsos eletrônicos, Neill fez com que eles interagissem, rodassem e evoluíssem em um análogo quântico de um sistema clássico altamente sensível.

O resultado é um mapa de entropia de entrelaçamento de um qubit que, ao longo do tempo, se assemelha fortemente com a dinâmica clássica – as regiões de entrelaçamento no mapa quântico assemelham-se às regiões do caos no mapa clássico. As ilhas de baixo entrelaçamento no mapa quântico estão localizadas nos locais de baixo caos no mapa clássico.

“Há uma clara ligação entre o entrelaçamento e o caos nestes dois quadros”, disse Neill. “E, verifica-se que a termalização é a coisa que liga o caos e o entrelaçamento. Acontece que eles são, na verdade, as forças motrizes por trás da estabilização térmica.

Computadores quânticos

“O que percebemos é que em quase qualquer sistema quântico, incluindo computadores quânticos, se você deixá-lo evoluir e começar a estudar o que acontece como uma função do tempo, ele vai termalizar”, acrescentou Neill, referindo-se ao equilíbrio de nível quântico. “E isso realmente une a intuição entre termalização clássica e caos e como ela ocorre em sistemas quânticos que entrelaçam”.

Os resultados do estudo têm implicações fundamentais para a computação quântica. Ao nível dos três qubits, o cálculo é relativamente simples, disse Roushan, mas como pesquisadores têm se esforçado para construir computadores quânticos cada vez mais sofisticados, que incorporem mais qubits para estudar problemas altamente complexos que estão além da capacidade da computação clássica, como os reinos de aprendizado da máquina, inteligência artificial, dinâmica ou química de fluidos, um processador quântico otimizado para esses cálculos será uma ferramenta muito poderosa.

“Isso significa que nós podemos estudar coisas que são completamente impossíveis de estudar agora, assim que chegarmos a sistemas maiores”, disse Neill. [Phys.org]

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