Uma partícula não precisa passar por um campo magnético para ser afetada por ele. Essa característica surpreendente da física quântica foi agora recriada por investigadores da Universidade de Oxford, que usaram um computador quântico híbrido para demonstrar como um efeito magnético invisível pode parar completamente o movimento de uma partícula simulada.
A experiência replicou um fenómeno conhecido como efeito Aharonov-Bohm, no qual uma partícula carregada viajando em torno de um campo com fluxo magnético experimenta uma mudança mensurável no seu estado quântico, embora o seu caminho nunca a passe através do campo magnético.
A equipe de Oxford conseguiu isso usando um sistema quântico que combina qubits, as unidades básicas de informação quântica, com osciladores quânticos, que representam movimento vibracional. Suas descobertas, publicadas em física da naturezaDemonstre como esta combinação pode ajudar os cientistas a investigar interações fundamentais entre matéria e campos que são cada vez mais difíceis de simular usando computadores convencionais.
Um estranho efeito quântico previsto em 1959
Na física cotidiana, uma partícula carregada reage aos campos elétricos e magnéticos que encontra. Contudo, a mecânica quântica mostra que as partículas podem comportar-se de maneiras que não têm contrapartida direta na nossa experiência comum.
Em 1959, os físicos Yakir Aharonov e David Bohm previram que uma partícula carregada poderia ser afetada pelo fluxo magnético mesmo que viajasse completamente para fora da região que contém o campo magnético. Em vez de experimentar uma força magnética convencional ao longo do seu caminho, a partícula sofrerá uma mudança na sua fase quântica.
A fase quântica descreve um aspecto do comportamento ondulatório de uma partícula que afeta a forma como diferentes caminhos possíveis interferem entre si. Embora a fase em si não seja diretamente visível, as diferenças de fase podem produzir efeitos mensuráveis.
A previsão ficou conhecida como efeito Aharonov-Bohm e acabou sendo verificada em experimentos envolvendo elétrons reais. Esta é uma das demonstrações mais claras de que o mundo quântico funciona de acordo com regras que vão além das regras familiares da física clássica.
Os pesquisadores estão agora explorando como esse fenômeno se comporta em sistemas teóricos mais complexos, conhecidos como teorias de retículo de calibre.
Estas teorias explicam como a matéria interage com campos que envolvem forças fundamentais. Eles representam o espaço na forma de uma grade na qual as substâncias estão localizadas em pontos individuais e áreas conectadas por conexões entre elas. Esses modelos são particularmente importantes na física de partículas e na física de altas energias, onde os cientistas estudam as partículas fundamentais e as interações que constituem o universo.
O desafio é que à medida que estes sistemas se tornam mais complexos, a matemática se torna excepcionalmente difícil. Mesmo poderosos computadores tradicionais podem ter dificuldade para calcular como evoluem todos os componentes de interação.
Os computadores quânticos oferecem uma abordagem diferente. Em vez de tentar calcular todos os aspectos de um sistema quântico usando métodos de computação clássicos, os cientistas podem construir outro sistema quântico que obedeça às mesmas regras subjacentes. Eles podem então observar diretamente seu comportamento, uma abordagem conhecida como simulação quântica.
Como os cientistas criaram experimentos quânticos
O projeto Oxford começou em 2022, quando o autor principal, Dr. Sebastian Saner, Dr. Oona Bazavan e seus colegas começaram a desenvolver uma maneira de simular teorias de calibre de rede usando um sistema quântico híbrido. Colaborou com o Dr. Alejandro Bermúdez do Instituto de Física Teórica de Madrid.
Seu projeto experimental baseou-se em dois componentes quânticos separados que desempenhavam funções distintas.
O primeiro envolveu qubits codificados nos estados internos de íons aprisionados, que são átomos eletricamente carregados, usando campos eletromagnéticos. Esses qubits representam o campo de calibre no modelo teórico.
O segundo componente utilizou um oscilador quântico, criado por vibrações dos mesmos íons aprisionados. Esses osciladores representavam a matéria.
Ao combinar os dois, os pesquisadores criaram um loop simples que serviu como alicerce básico da teoria de calibre de rede. Os dois osciladores representavam a matéria em dois locais diferentes, enquanto os dois qubits representavam os campos que conectavam esses locais.
Embora o arranjo fosse pequeno, foi suficiente para reproduzir uma importante interação entre matéria e fluxo magnético.
O emaranhamento quântico cria uma solução surpreendente
Os pesquisadores então colocaram ambos os qubits em um estado quântico emaranhado. O emaranhamento é um fenômeno no qual os sistemas quânticos ficam emaranhados de maneiras que não podem ser totalmente explicadas pela física clássica.
Dentro da teoria simulada de calibre de rede da equipe, esse estado emaranhado representa o fluxo magnético que passa pelo centro do loop.
Inicialmente, os pesquisadores planejaram introduzir o fluxo magnético como uma condição fixa de fundo. No entanto, a criação das interações necessárias exigiria capacidades que o seu hardware quântico não possuía.
Codificar o fluxo diretamente no qubit fornece uma alternativa prática. Mais importante ainda, permitiu que o fluxo magnético se tornasse parte do sistema quântico em evolução, em vez de permanecer um efeito externo imutável.
“Para nós, o passo emocionante foi codificar o fluxo magnético em um campo manométrico que fosse dinâmico”, diz o Dr. “Em vez de a matéria evoluir num fundo fixo, a matéria e o campo de medição tornam-se parte da mesma dinâmica quântica.”
O que começou como uma solução técnica acabou por permitir aos investigadores explorar uma versão mais interessante do fenómeno, na qual matéria e campos poderiam participar juntos na dinâmica quântica.
Um efeito quântico que impede o movimento das partículas
Com seu loop simulado, os cientistas investigaram como uma partícula de matéria se move entre locais por meio de um processo chamado tunelamento quântico.
O tunelamento quântico permite que as partículas se movam entre estados de maneiras que não seriam possíveis sob as regras clássicas normais.
Quando os pesquisadores executaram sua simulação sem o fluxo magnético, a partícula poderia criar um túnel livremente ao redor do loop.
A introdução do fluxo simulado produziu um resultado surpreendentemente diferente.
A partícula tinha dois caminhos possíveis ao redor do loop, mas o fluxo magnético mudou suas fases quânticas relativas. Como resultado, os dois caminhos interferiram destrutivamente, o que significa que as suas contribuições quânticas se anularam.
Essa interferência suprimiu completamente o tunelamento, fazendo com que a partícula simulada congelasse em seu estado original.
O resultado demonstrou o efeito Aharonov-Bohm dentro de uma teoria de retículo de calibre com um campo dinâmico. Em vez de reproduzir o comportamento familiar de uma partícula girando em torno de um campo magnético fixo, o experimento mostrou como os fenômenos podem surgir quando a matéria e o campo são representados por componentes quânticos em interação.
Uma nova ferramenta para explorar a física fundamental
As descobertas de Oxford foram publicadas juntamente com um estudo relacionado realizado por pesquisadores da Universidade de Maryland liderados pelo professor Norbert Linke.
A equipe de Maryland também usou um sistema quântico híbrido, mas seu experimento se concentrou na simulação do potencial Yukawa, que é uma descrição matemática de interações relacionadas à física nuclear e de partículas.
Embora ambos os grupos de pesquisa tenham desenvolvido seus métodos de forma independente, posteriormente coordenaram a apresentação de seus estudos. física da natureza.
Juntos, os experimentos demonstram como os computadores quânticos híbridos podem se tornar ferramentas valiosas para investigar interações fundamentais que são difíceis de reproduzir usando simulações clássicas.
Ao combinar diferentes tipos de componentes quânticos, os pesquisadores podem criar sistemas nos quais a matéria e os campos são representados de maneiras que refletem mais de perto a física que desejam estudar.
A experiência de Oxford fornece um exemplo desse potencial. Um fenômeno previsto pela primeira vez em 1959 e posteriormente observado com elétrons foi agora recriado em um simulador quântico, onde o próprio campo participa da dinâmica, proporcionando aos cientistas outra maneira de explorar as regras incomuns que governam o mundo quântico.
