Com 13 íons, um computador quântico recriou matéria "surgindo do nada"

Transformar energia pura em matéria parecia coisa reservada ao Big Bang ou a gigantescos aceleradores de partículas como o do CERN. Um grupo da Universidade Duke reproduziu a física por trás desse processo usando uma máquina minúscula em comparação: um simulador quântico feito de apenas 13 íons, átomos eletricamente carregados e presos por campos e lasers.

O que simularam

O time do Duke Quantum Center, liderado por Christopher Monroe, codificou nessa fileira de 13 íons um fenômeno chamado "quebra de corda". Imagine dois blocos de matéria ligados por uma espécie de elástico de energia. Quando você os afasta, a tensão aumenta, até que, em vez de o elástico simplesmente arrebentar, a energia acumulada se converte em novas partículas, que "aparecem" no ponto de ruptura, algo ligado à formação de pares de partícula e antipartícula (para efeito de escala, um quark é cerca de um bilhão de vezes menor que um átomo). Ajustando com lasers como cada íon interage com os vizinhos, a equipe preparou o sistema fora do equilíbrio e acompanhou sua evolução. "Trabalhar no cruzamento entre simulação quântica e física de altas energias é incrivelmente empolgante", diz Arinjoy De, primeiro autor do estudo, publicado na Nature Physics.

A dose de realismo

Importante não superdimensionar: nessa escala de 13 íons, um computador comum ainda dá conta das mesmas contas, e de fato um computador clássico reproduziu os resultados do experimento. A aposta é que a vantagem quântica só apareça quando os experimentos crescerem e ficarem mais complexos. Para Monroe, os íons aprisionados são "a melhor plataforma para investigar questões complexas como a formação da matéria". Dois outros grupos, um liderado pelo Google (circuitos supercondutores) e outro pela QuEra (átomos neutros), publicaram resultados relacionados, sinal de que a corrida tem várias pistas rodando ao mesmo tempo.

Por que isso importa no Brasil

A computação quântica é uma corrida global de bilhões, e o Brasil tem grupos de física quântica ativos em universidades públicas, além de um interesse crescente do país em não ficar de fora dessa tecnologia. Notícias assim ajudam a desfazer um mal-entendido comum: o computador quântico não serve (por enquanto) para tarefas do dia a dia, mas sim para simular a natureza em detalhes impossíveis nos computadores comuns, de novos materiais e remédios até a origem da matéria. Entender para que ele serve de verdade é o primeiro passo para acompanhar essa disputa.

Para entender o contexto

Um computador quântico usa bits quânticos, os qubits, que podem estar em combinações de estados e, por isso, permitem simular sistemas da própria física quântica que são difíceis de calcular em computadores comuns. Um dos usos mais promissores é justamente a simulação: reproduzir em laboratório o comportamento de partículas e campos que não se consegue observar diretamente.

Íons presos em armadilhas eletromagnéticas são uma das tecnologias para construir esses sistemas. Experimentos com poucos íons, como o descrito aqui, são provas de conceito: mostram que um fenômeno pode ser reproduzido, mas ainda estão distantes de máquinas capazes de resolver problemas práticos que superem os computadores atuais.

Termos úteis

• Qubit: Unidade básica de informação quântica, que pode estar em combinações de 0 e 1.
• Íon aprisionado: Átomo com carga elétrica mantido no lugar por campos eletromagnéticos, usado como qubit.
• Simulação quântica: Uso de um sistema quântico controlado para reproduzir o comportamento de outro sistema quântico.