Mágica quântica? Sim, e com impacto direto na computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2025

Magia, ou mágica, é o nome de uma propriedade da mecânica quântica - sem truques, mas extremamente interessante.
[Imagem: Gerado por IA/DALL-E]

Mágica quântica

Físicos descobriram que, quando o Grande Colisor de Hádrons (LHC) produz quarks do tipo top, as partículas fundamentais mais pesadas conhecidas, ele cria regularmente uma propriedade conhecida como "mágica quântica", ou "magia quântica".

Mas calma, a magia quântica não viola as leis da física, sendo uma consequência direta das leis da mecânica quântica e da teoria da computação. A mágica quântica se refere à capacidade dos sistemas quânticos de realizar cálculos que seriam exponencialmente mais difíceis para um computador clássico. Essa superioridade computacional é decorrente das propriedades peculiares da mecânica quântica, como a superposição e o entrelaçamento.

A descoberta de que essa propriedade emerge naturalmente nos processos do LHC tem implicações diretas para o avanço da computação quântica, já que a magia é uma medida que descreve a dificuldade de um computador clássico resolver um sistema quântico.

"Quanto maior a magia, mais precisamos de computadores quânticos para descrever o comportamento," explicou o professor Martin White, da Universidade de Adelaide, na Austrália, que fez o estudo com seu irmão gêmeo, o professor Chris White, atualmente na Universidade Rainha Maria de Londres, na Inglaterra.

"Estudar as propriedades mágicas dos sistemas quânticos gera insights significativos sobre o desenvolvimento e usos potenciais dos computadores quânticos," completou Martin.

A magia de um estado final misto topo-antitopo (a) no canal qq e (b) no canal gg.
[Imagem: Chris D. White et al. - 10.1103/PhysRevD.110.116016]

Magia quântica no LHC

O LHC é o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo, consistindo em um anel de 27 quilômetros de ímãs supercondutores com uma série de estruturas aceleradoras, através das quais dois feixes de partículas de alta energia viajam próximo à velocidade da luz, até finalmente colidirem um com o outro.

A quantidade de magia apresentada pelos quarks top criados nessas colisões depende da rapidez com que eles se movem e da direção do seu deslocamento, o que pode ser medido pelos detectores ATLAS e CMS, que observam os resultados das colisões de prótons do LHC.

"A pesquisa quântica há muito se concentra no entrelaçamento, que é onde as partículas se tornam ligadas; no entanto, nosso trabalho em magia explora como as partículas são adequadas para a construção de computadores quânticos poderosos," detalhou Martin.

Especificamente, a equipe mostrou que "a natureza opta por produzir quarks top mágicos, onde a quantidade de magia varia com a cinemática do estado final". Como a propriedade da magia distingue estados quânticos que levam a uma vantagem computacional genuína sobre os estados clássicos, isso demonstra que conceitos de computação quântica podem ser examinados em colisores, sem a necessidade de construir processadores ou simuladores quânticos especializados - ou antes de construí-los.

"O experimento ATLAS já observou evidências de entrelaçamento quântico. Mostramos que o LHC também pode observar padrões mais complexos de comportamento quântico nas energias mais elevadas já tentadas para este tipo de experiências," destacou Martin.

Recentemente outra equipe demonstrou uma ligação entre a teoria da informação quântica e a física de partículas.
[Imagem: Kavli IPMU]

Supremacia quântica

Durante décadas, pesquisadores e engenheiros têm-se esforçado para construir computadores quânticos que tirem proveito das leis da mecânica quântica com o objetivo de alcançar um poder de processamento muito maior do que o que é possível com os computadores tradicionais, um conceito conhecido como supremacia quântica.

Os benefícios dos computadores quânticos são vastos, com potencial para impactar campos como a descoberta de medicamentos e a ciência dos materiais. Domar esse poder requer estados quânticos robustos e controláveis, e a magia desempenha um papel crítico na obtenção desse controle.

"Nossa pesquisa abre caminho para uma compreensão mais profunda da conexão entre a teoria da informação quântica e a física de altas energias," disse o professor Martin.

"Esta descoberta não diz respeito apenas às partículas mais pesadas do Universo, trata-se de desbloquear o potencial de um novo paradigma de computação revolucionário," concluiu.

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