Monopolos magnéticos finalmente isolados usando simulador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/08/2021

Os monopolos magnéticos foram visualizados viajando através da matriz de qubits do processador quântico.
[Imagem: LANL]

Monopolos magnéticos

Usando um computador quântico D-Wave como bancada de testes, cientistas do Laboratório Nacional Los Alamos, nos EUA, mostraram que é possível isolar os misteriosos e muito promissores monopolos magnéticos.

Monopolos magnéticos - imagine o pólo norte e o pólo sul do ímã separados - são compreendidos como uma classe de quasipartículas, mas uma classe que tem impacto desde nossa compreensão mais fundamental da matéria, até o desenvolvimento tecnológico de materiais artificiais, criados de baixo para cima para apresentar a propriedade que se deseja deles.

"Monopolos magnéticos, como partículas elementares com apenas um pólo magnético, foram postulados por muitos, e notoriamente por Dirac [Paul Dirac 1902-1984], mas se mostraram elusivos até agora. Queríamos estudar monopolos magnéticos emergentes explorando a dinâmica coletiva dos qubits," explicou o pesquisador Cristiano Nisoli.

O processo envolveu o usar o computador quântico não para fazer cálculos, mas como um simulador quântico, onde os qubits servem como átomos artificiais para criar um tipo especial de matéria chamado "gelo de spin".

Diferente dos processadores quânticos, os simuladores quânticos são usados para modelar o comportamento das moléculas e outras partículas quânticas, que têm elementos de aleatoriedade e complexidade muito grandes, o que torna muito difícil saber como elas se comportam e como reagem a alterações no ambiente - esses simuladores têm sido muito usados para simular ligações químicas a partir dos primeiros princípios.

Neste experimento, os qubits funcionaram como uma matriz de nanoímãs organizados em um padrão geométrico específico - uma rede dipolar - que os faz interagirem uns com os outros.

Simulador quântico

O experimento deu certo, demonstrando de forma inequívoca que monopolos magnéticos não apenas podem emergir de uma estrutura de spin subjacente, mas podem ser controlados, isolados e estudados com precisão.

"Nós apenas arranhamos a superfície dessa abordagem. Os sistemas de gelo de spin artificial anteriores foram construídos com nanoímãs e obedeciam à física clássica. Em vez disso, este experimento é totalmente quântico. Para evitar os saltos quânticos, nos concentramos até agora em um estudo quase clássico, mas no futuro poderemos realmente amplificar essas flutuações quânticas e investigar questões muito oportunas de decoerência, memória, informação quântica e ordem topológica, com implicações tecnológicas significativas," disse Nisoli.

E esses resultados têm consequências tecnológicas, particularmente relevantes na ideia dos chamados "materiais por projeto", para produzir nanoímãs com funcionalidades avançadas para sensores e computação. Funcionando como portadores de informações binárias, os monopolos também podem ser relevantes para a spintrônica.

Em condições clássicas, divida um ímã em dois e você sempre terá outro ímã completo, com dois polos. Mas, no simulador quântico, foi possível ver cada polo emergindo individualmente, sem sua cara-metade.
[Imagem: View et al. - 10.1126/science.abe2824]

Repensar a física de partículas

Além dos interesses mais imediatos, Nisoli sugere que este experimento pode ser um divisor de águas para o modo como pensamos a física fundamental, sobretudo as teorias mais fundamentais, como o Modelo Padrão da Física de Partículas.

"Alguém nos pergunta: O que é uma partícula? Nós mostramos aqui experimentalmente que não apenas as partículas, mas também suas interações de longo alcance, podem ser uma descrição de nível superior de uma estrutura subjacente muito simples, que está apenas acoplada aos seus vizinhos mais próximos.

"Será que até mesmo partículas e interações 'reais', que consideramos fundamentais, como léptons e quarks, poderiam em vez disso ser interpretadas como uma descrição emergente, de nível superior, de um substrato binário de nível inferior mais complexo, da mesma forma que nossos monopolos emergem de um monte de qubits?" propôs o pesquisador.

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