Espera-se que a tecnologia quântica transforme a forma como conjuntos de dados grandes e complexos são processados. Embora atualmente seja usado principalmente em ambientes de laboratório e pesquisa, o campo está avançando constantemente em direção a aplicações do mundo real em vários setores.
Num estudo recente que explorou os fundamentos da física quântica, os investigadores examinaram como os átomos, electrões e fotões se comportam em escalas extremamente pequenas. O trabalho, liderado pelo professor do Cal Poly Physics Department, Ian Powell, concentra-se em como a mudança de um campo magnético ao longo do tempo pode fazer com que a matéria exiba propriedades incomuns e nunca antes vistas.
Powell e o estudante pesquisador Louis Buchalter, que obteve o diploma de bacharel em física da Cal Poly em 2025, publicaram suas descobertas na Physical Review B em um artigo intitulado “Engenharia de fluxo 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 que não existem na matéria que permanece inalterada ao longo do tempo (permanece no mesmo estado à medida que o tempo passa).
“Em um nível geral, eu descreveria isso como um avanço em nossa compreensão de como o controle dependente do tempo pode criar e organizar novas formas de matéria quântica”, disse Powell. “A ideia central é que as propriedades quânticas úteis dependem não apenas do que é um material, mas também de como ele é conduzido no tempo. No nosso caso, mostramos que a mudança periódica de um campo magnético pode criar fases quânticas acionadas sem contrapartida estática.”
Rumo a uma tecnologia quântica mais estável
Ao cronometrar cuidadosamente como os campos magnéticos são aplicados, os cientistas podem projetar sistemas quânticos com propriedades que são mais estáveis e menos vulneráveis a “ruído” ou imperfeições. Essas perturbações são um grande desafio na tecnologia quântica, muitas vezes levando a erros nos cálculos ou no desempenho do sistema.
Powell observa que embora os detalhes técnicos possam ser difíceis de explicar fora do campo, o conceito 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 direta do nosso estudo é para a computação quântica e simulação quântica, e não para um setor de uso final específico neste estágio”, disse Powell. “Qualquer eventual impacto em áreas como farmacêutica, finanças, manufatura ou aeroespacial será provavelmente indireto, contribuindo para o desenvolvimento a longo prazo de tecnologias quânticas avançadas. Para avançar para o uso industrial, os próximos passos serão a validação experimental e mais trabalho conectando esses conceitos a plataformas realistas de dispositivos quânticos.”
Novos padrões matemáticos em sistemas quânticos
Além de criar novos estados quânticos, a pesquisa também identificou um princípio de organização matemática que reflete padrões comumente encontrados em sistemas quânticos de dimensões superiores. Isto sugere que sistemas relativamente simples movidos por estados alterados podem fornecer novas maneiras de explorar a física quântica mais complexa.
A equipe também mapeou como esses estados exóticos se formam, revelando uma estrutura precisa no diagrama de fase topológica do sistema. Este diagrama serve como um guia visual para as várias fases quânticas estáveis, cada uma definida por propriedades topológicas específicas.
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 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 comumente usados para controlar e medir bits quânticos (ou qubits), a unidade fundamental da informação quântica. Qubits são comparáveis às unidades de 0s e 1s usadas na computação clássica (atualmente aplicada à computação geral) para representar estados elétricos físicos.
Experiência de pesquisa do aluno e trabalhos futuros
Para Buchalter, participar de pesquisas proporcionou informações valiosas sobre o processo de pesquisa e a comunicação científica.
“Tanto sobre o processo de condução de pesquisas e como os resultados de novas pesquisas são efetivamente comunicados à comunidade científica mais ampla”.
“Aprendi que a pesquisa raramente é um processo simples, muitas vezes exigindo persistência e solução criativa de problemas durante um projeto de pesquisa”, disse Buchalter. “Acredito que nossos resultados ajudam a demonstrar o poder da engenharia Floquet para realizar sistemas quânticos com propriedades altamente ajustáveis, abrindo caminho para futuras pesquisas no desenvolvimento de materiais quânticos condutores de fase e suas aplicações.”
Buchalter planeja iniciar um programa de mestrado em ciência e engenharia de materiais na Universidade de Washington no outono, onde se concentrará em pesquisas experimentais em materiais quânticos. Ele também está considerando uma futura carreira em um laboratório nacional trabalhando no desenvolvimento de dispositivos quânticos.
“Inicialmente assumi o projeto por causa do meu interesse pela física da matéria condensada, no entanto, fiquei fascinado pelo campo da matéria quântica através da minha experiência”, disse Buchalter. “Estou muito interessado em continuar estudando a matéria quântica e ajudar a desenvolver suas aplicações em dispositivos eletrônicos e fotônicos”.
