Novas tecnologias podem aprimorar métodos de armazenamento e transferência de dados.

A computação quântica alavanca os princípios da mecânica quântica para abordar desafios complexos em vários campos, incluindo medicina e aprendizado de máquina , que superam as capacidades dos computadores tradicionais. Simuladores quânticos, compostos de unidades quânticas interativas programáveis, permitem que cientistas emulem modelos intrincados do mundo físico. Ao ajustar essas interações e observar o comportamento dos simuladores, os pesquisadores podem obter insights sobre esses modelos e, indiretamente, o mundo real.

Em um artigo publicado na Physical Review B e selecionado pelo periódico como sugestão dos editores, uma equipe de pesquisa liderada pela UC Riverside propôs uma cadeia de objetos magnéticos quânticos, chamados centros de spin, que, na presença de um campo magnético externo, podem simular quanticamente uma variedade de fases magnéticas da matéria, bem como as transições entre essas fases.

“Estamos projetando novos dispositivos que abrigam os centros de spin e podem ser usados ​​para simular e aprender sobre fenômenos físicos interessantes que não podem ser totalmente estudados com computadores clássicos”, disse Shan-Wen Tsai, professor de física e astronomia, que liderou a equipe de pesquisa. “Os centros de spin em materiais de estado sólido são objetos quânticos localizados com grande potencial inexplorado para o design de novos simuladores quânticos.”

De acordo com Troy Losey, aluno de pós-graduação de Tsai e primeiro autor do artigo, os avanços nesses dispositivos podem possibilitar o estudo de maneiras mais eficientes de armazenar e transferir informações, além de desenvolver métodos necessários para criar computadores quânticos em temperatura ambiente.

“Temos muitas ideias sobre como fazer melhorias em simuladores quânticos baseados em centros de spin em comparação com este dispositivo proposto inicialmente”, ele disse. “Empregar essas novas ideias e considerar arranjos mais complexos de centros de spin pode ajudar a criar simuladores quânticos que sejam fáceis de construir e operar, enquanto ainda são capazes de simular física nova e significativa.”

Abaixo, Tsai e Losey respondem a algumas perguntas sobre a pesquisa:

P: O que é um simulador quântico?

Tsai: É um dispositivo que explora os comportamentos incomuns da mecânica quântica para simular física interessante que é muito difícil para um computador comum calcular. Ao contrário dos computadores quânticos que operam com qubits e operações de porta universal, os simuladores quânticos são projetados individualmente para simular/resolver problemas específicos. Ao negociar a programabilidade universal dos computadores quânticos em favor da exploração da riqueza de diferentes interações quânticas e arranjos geométricos, os simuladores quânticos podem ser mais fáceis de implementar e fornecer novas aplicações para dispositivos quânticos, o que é relevante porque os computadores quânticos ainda não são universalmente úteis.

P: Quais são algumas aplicações deste trabalho?

Losey: Podemos construir o simulador quântico proposto para simular fases magnéticas exóticas da matéria e as transições de fase entre elas. Essas transições de fase são de grande interesse porque nessas transições os comportamentos de sistemas muito diferentes se tornam idênticos, o que implica que há fenômenos físicos subjacentes conectando esses diferentes sistemas.

As técnicas usadas para construir este dispositivo também podem ser usadas para computadores quânticos baseados em spin-center, que são um candidato líder para o desenvolvimento de computadores quânticos em temperatura ambiente, enquanto a maioria dos computadores quânticos requer temperaturas extremamente baixas para funcionar. Além disso, nosso dispositivo assume que os centros de spin são colocados em uma linha reta, mas é possível colocar os centros de spin em arranjos de até 3 dimensões. Isso poderia permitir o estudo de dispositivos de informação baseados em spin que são mais eficientes do que os métodos que são usados ​​atualmente por computadores.

Como simuladores quânticos são mais fáceis de construir e operar do que computadores quânticos, atualmente podemos usar simuladores quânticos para resolver certos problemas que computadores comuns não têm a capacidade de resolver, enquanto esperamos que os computadores quânticos se tornem mais refinados. No entanto, isso não significa que simuladores quânticos podem ser construídos sem desafios, pois estamos apenas agora chegando perto de ser bons o suficiente em manipular centros de spin, cultivar cristais puros e trabalhar em baixas temperaturas para construir o simulador quântico que propomos.

Referência: “Simulação quântica do modelo spin-12 XYZ usando centros de spin de estado sólido” por Troy Losey, Denis R. Candido, Jin Zhang, Y. Meurice, Michael E. Flatté e S.-W. Tsai, 8 de julho de 2024, Revisão Física B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.110.014413