O caminho para a supremacia quântica é complicado por um desafio imaginativo – como levantar uma nuvem sem alterar a sua forma?

A solução potencial parece tão imaginativa quanto o problema. Você pode fazer com que a nuvem dance enquanto viaja, ao ritmo de uma substância única conhecida como cristal do tempo.

Krzysztof Gergel e Krzysztof Sasha da Universidade Jagiellonian na Polônia e Peter Hannaford da Swinburne University of Technology na Austrália sugerem que um novo tipo de circuito de “tempo” pode estar à altura da tarefa de preservar os estados difusos dos qubits à medida que eles passam pelas tempestades de lógica quântica.

Em contraste com as descrições de objetos como tendo posições e movimentos claramente definidos, a perspectiva quântica da mesma partícula descreve características como sua posição, momento e rotação como um borrão de possibilidades.

Esta “nuvem” de possibilidades é melhor compreendida quando isolada. Quando uma partícula interage com o seu ambiente, a sua distribuição de probabilidade muda como as probabilidades de um corredor vencer a corrida de 100 metros nos Jogos Olímpicos, até que no final apenas um resultado é observado.

Assim como um computador clássico pode usar estados binários de partículas como interruptores “liga-desliga” em portas lógicas, os computadores quânticos poderiam teoricamente explorar a propagação de incertezas em partículas para resolver rapidamente seus próprios tipos de algoritmos, muitos dos quais seriam impraticáveis ​​ou mesmo impossível resolver à moda antiga.

O desafio é manter unida essa nuvem quântica de possibilidades – referida como qubits – pelo maior tempo possível. A cada solavanco, a cada brisa eletromagnética, surge um risco crescente de erros de processamento de números.

Os computadores quânticos práticos exigem que centenas, senão milhares de qubits, permaneçam intactos por longos períodos, tornando um sistema em grande escala um enorme desafio.

Os pesquisadores têm procurado uma variedade de maneiras de tornar a computação quântica mais poderosa, seja bloqueando qubits individuais para protegê-los da perda de coerência ou construindo redes de segurança ao seu redor.

Os físicos Gergel, Sascha e Hannaford descreveram agora uma nova abordagem que transforma computadores quânticos em uma sinfonia de qubits guiada pela varinha de um tipo muito estranho de condutor.

Cristais do tempo são materiais que se transformam em padrões repetidos ao longo do tempo. Esses sistemas de “tique-taque” foram teorizados há mais de uma década e, desde então, versões deles foram desenvolvidas usando o impulso suave de um laser e aglomerados de átomos extremamente frios, onde explosões de luz enviam partículas em flutuações periódicas que desafiam o tempo do laser.

Em papel Disponível no servidor de pré-revisão arXiv, o trio de físicos propõe usar a periodicidade única do cristal do tempo como base para um novo tipo de circuito “eletrônico do tempo”. Essa periodicidade é usada para direcionar microondas para um grande número de qubits carregados de informações e pode ajudar a reduzir as colisões acidentais responsáveis ​​por muitos erros.

Tal circuito temporal de qubits em constante deriva tornaria mais fácil direcionar quase qualquer partícula de computador por outro caminho, emaranhando seu potencial quântico de maneiras úteis, em vez de formas de imposição de erros.

Embora a proposta ainda seja puramente teórica, a equipe mostrou como a física dos aglomerados de íons de potássio resfriados a temperaturas quase absolutas e direcionados por um pulso de laser pode fornecer uma “orquestra” de qubits.

Traduzir a ideia em um computador quântico prático e de grande escala exigirá anos de inovação e experimentação, se é que funcionará.

Mas agora que sabemos que pelo menos alguns tipos de cristais do tempo existem e podem ser usados ​​para fins práticos, o desafio de transportar uma nuvem pode não ser uma tarefa tão sofisticada, afinal.

Este estudo está disponível no servidor de pré-revisão arXiv.

Pesquisadores da Universidade de Rochester trabalhando com a Colaboração CMS em CERNfizeram grandes progressos na medição do ângulo de mistura eletrofraca, avançando nossa compreensão do Modelo Padrão da física de partículas.

O seu trabalho ajuda a explicar as forças fundamentais do universo, apoiado por experiências como as do Large Hadron Collider, que investigam condições semelhantes às que ocorreram após o Big Bang. a grande explosão.

Descubra segredos globais

Na busca para desvendar os segredos do universo, investigadores da Universidade de Rochester têm estado envolvidos durante décadas em colaborações internacionais na Organização Europeia para a Investigação Nuclear, mais conhecida como CERN.

Com base no seu amplo envolvimento no CERN, especialmente na colaboração CMS (Compact Muon Solenoid), a equipe de Rochester – liderada por Ari Budek, George E. Buck – uma conquista inovadora recente. Sua realização se concentra na medição do ângulo de mistura eletrofraca, um componente fundamental do Modelo Padrão da física de partículas. Este modelo descreve como as partículas interagem e prevê com precisão uma ampla gama de fenômenos na física e na astronomia.

“As medições mais recentes do ângulo de mistura eletrofraca são incrivelmente precisas, calculadas a partir de colisões de prótons no CERN, e avançam na compreensão da física de partículas”, diz Budick.

o Colaboração em um sistema de gerenciamento de conteúdo A Colaboração CMS reúne membros da comunidade de física de partículas de todo o mundo para compreender melhor as leis fundamentais do universo. Além de Bodek, o grupo Rochester no projeto CMS Collaboration inclui os investigadores principais Regina DeMina, professora de física, e Aran Garcia Bellido, professor associado de física, juntamente com bolsistas de pós-doutorado e alunos de graduação e pós-graduação.

Os pesquisadores da Universidade de Rochester têm uma longa história de trabalho no CERN como parte da Colaboração Compact Muon Solenoid (CMS), incluindo o desempenho de papéis importantes na descoberta do bóson de Higgs em 2012. Direitos autorais: Samuel Joseph Herzog; Julian Marius Urdan

O legado de descoberta e inovação no CERN

Localizado em Genebra, na Suíça, o CERN é o maior laboratório de física de partículas do mundo e é famoso pelas suas descobertas pioneiras e experiências de ponta.

Os pesquisadores de Rochester têm uma longa história de trabalho no CERN como parte da colaboração CMS, inclusive desempenhando papéis importantes em Descoberta do bóson de Higgs em 2012– Uma partícula elementar que ajuda a explicar a origem da massa no universo.

O trabalho da colaboração inclui a coleta e análise de dados coletados do detector solenóide de múon compacto do Large Hadron Collider (LHC) do CERN, o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo. O LHC consiste em um anel de 27 quilômetros de extensão de ímãs supercondutores e estruturas aceleradoras construídas no subsolo e que se estendem pela fronteira entre a Suíça e a França.

O objetivo principal do LHC é explorar os blocos básicos de construção da matéria e as forças que os governam. Isto é conseguido acelerando feixes de prótons ou íons próximos à velocidade da luz e colidindo uns com os outros a energias extremamente altas. Estas colisões recriam condições semelhantes às que existiram milissegundos após o Big Bang, permitindo aos cientistas estudar o comportamento das partículas sob condições extremas.

Descubra as forças unificadas

No século XIX, os cientistas descobriram que as diferentes forças da eletricidade e do magnetismo estão interligadas: um campo elétrico variável produz um campo magnético e vice-versa. Esta descoberta formou a base do eletromagnetismo, que descreve a luz como uma onda e explica muitos fenômenos em óptica, além de descrever como os campos elétricos e magnéticos interagem.

Com base neste entendimento, na década de 1960 os físicos descobriram que o eletromagnetismo está relacionado com outra força, a força fraca. A força fraca opera dentro do núcleo dos átomos e é responsável por processos como o decaimento radioativo e a produção de energia solar. Esta descoberta levou ao desenvolvimento da teoria eletrofraca, que postula que o eletromagnetismo e a força fraca são, na verdade, manifestações de baixa energia de uma força unificada chamada interação eletrofraca unificada. Descobertas importantes, como o bóson de Higgs, confirmaram este conceito.

Desenvolvimentos na interação eletrofraca

A equipe do CMS fez recentemente uma das medições mais precisas desta teoria, analisando bilhões de colisões de prótons no Grande Colisor de Hádrons do CERN. O foco deles estava na medição do ângulo de mistura fraco, um parâmetro que descreve como o eletromagnetismo e a força fraca se misturam para formar partículas.

Medições anteriores do ângulo de mistura eletrofraca geraram controvérsia na comunidade científica. No entanto, os resultados mais recentes estão estreitamente alinhados com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas. O estudante de pós-graduação de Rochester, Rhys Tawse, e o pesquisador de pós-doutorado Aliko Khokhonishvili aplicaram novas técnicas para reduzir as incertezas metodológicas inerentes a esta medição e aumentar sua precisão.

A compreensão do fraco ângulo de mistura esclarece como as diferentes forças do universo trabalham juntas nas menores escalas, aprofundando a compreensão da natureza fundamental da matéria e da energia.

“A equipe de Rochester vem desenvolvendo técnicas inovadoras e medindo esses parâmetros elétricos fracos desde 2010 e depois implementando-os no Large Hadron Collider”, diz Budick. “Essas novas técnicas anunciaram uma nova era de testes de precisão das previsões do Modelo Padrão.”