Há quase um século, o físico Erwin Schrödinger chamou a atenção para uma peculiaridade do mundo quântico que tem fascinado e irritado os pesquisadores desde então. Quando as partículas quânticas, como os átomos, interagem, elas perdem suas identidades individuais em favor de um estado coletivo que é maior e mais estranho do que a soma de suas partes. Esse fenômeno é chamado de emaranhamento (ou entrelaçamento).
Os pesquisadores têm uma sólida compreensão de como o entrelaçamento funciona em sistemas que contêm apenas algumas partículas. Mas o mundo real é mais complicado. Em grandes conjuntos de átomos, como os que compõem os materiais que vemos e tocamos, as leis da física quântica competem com as leis da termodinâmica, e as coisas ficam confusas.
Em temperaturas muito baixas, o emaranhamento pode se espalhar por longas distâncias, envolvendo muitos átomos e dando origem a fenômenos estranhos, como a supercondutividade. Porém, se o calor aumentar, os átomos se agitarão, rompendo os frágeis elos que unem as partículas emaranhadas.
Há muito tempo, os físicos têm se esforçado para determinar os detalhes desse processo. Agora, uma equipe de quatro pesquisadores provou que o entrelaçamento não se enfraquece apenas com o aumento da temperatura. Em vez disso, em modelos matemáticos de sistemas quânticos, como as matrizes de átomos em materiais físicos, há sempre uma temperatura específica acima da qual ele desaparece completamente. “Não se trata apenas de ser exponencialmente pequeno”, disse Ankur Moitra do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), um dos autores do novo resultado. “É zero.”
Os pesquisadores já haviam observado indícios desse comportamento e o apelidaram de “morte súbita” do entrelaçamento. Mas suas evidências eram, em sua maioria, indiretas. A nova descoberta estabelece um limite muito mais forte para o entrelaçamento de uma forma matematicamente rigorosa.
Curiosamente, os quatro pesquisadores por trás do novo resultado não são nem mesmo físicos e não se propuseram a provar nada sobre entrelaçamento. Eles são cientistas da computação que se depararam com a prova acidentalmente enquanto desenvolviam um novo algoritmo.
Independentemente de sua intenção, os resultados entusiasmaram os pesquisadores da área. “É uma afirmação muito, muito forte”, disse Soonwon Choi, físico do MIT. “Fiquei muito impressionado.”
Encontrando o equilíbrio
A equipe fez sua descoberta enquanto explorava os recursos teóricos de computadores quânticos - máquinas que explorarão o comportamento quântico, incluindo emaranhamento e superposição, para realizar determinados cálculos muito mais rapidamente do que os computadores convencionais que conhecemos hoje.
Uma das aplicações mais promissoras da computação quântica é o estudo da própria física quântica. Digamos que você queira entender o comportamento de um sistema quântico. Os pesquisadores precisam primeiro desenvolver procedimentos específicos, ou algoritmos, que os computadores quânticos possam usar para responder às suas perguntas.
Mas nem todas as perguntas sobre sistemas quânticos são mais fáceis de responder usando algoritmos quânticos. Algumas são igualmente fáceis para os algoritmos clássicos, que são executados em computadores comuns, enquanto outras são difíceis tanto para os algoritmos clássicos quanto para os quânticos.
Para entender onde os algoritmos quânticos e os computadores que podem executá-los podem oferecer uma vantagem, os pesquisadores geralmente analisam modelos matemáticos chamados sistemas de spin, que capturam o comportamento básico de matrizes de átomos em interação. Em seguida, eles podem se perguntar: O que um sistema de spin fará quando você o deixar sozinho em uma determinada temperatura? O estado em que ele se estabelece, chamado de estado de equilíbrio térmico, determina muitas de suas outras propriedades, de modo que os pesquisadores há muito tempo procuram desenvolver algoritmos para encontrar estados de equilíbrio.
Se esses algoritmos realmente se beneficiam do fato de serem de natureza quântica, depende da temperatura do sistema de spin em questão. Em temperaturas muito altas, os algoritmos clássicos conhecidos podem fazer o trabalho facilmente. O problema fica mais difícil à medida que a temperatura diminui e os fenômenos quânticos ficam mais fortes; em alguns sistemas, fica muito difícil até mesmo para os computadores quânticos resolverem em um período de tempo razoável. Mas os detalhes de tudo isso permanecem obscuros.
“Quando você deve ir para o espaço em que precisa da quântica e quando deve ir para o espaço em que a quântica nem sequer o ajuda?”, diz Ewin Tang, pesquisadora da Universidade da Califórnia, em Berkeley, e uma das autoras do novo resultado. “Não se sabe muito sobre isso.”
Em fevereiro, Tang e Moitra começaram a pensar no problema do equilíbrio térmico junto com dois outros cientistas da computação do MIT: um pesquisador de pós-doutorado chamado Ainesh Bakshi e o aluno de pós-graduação de Moitra, Allen Liu. Em 2023, todos eles haviam colaborado em um algoritmo quântico inovador para uma tarefa diferente envolvendo sistemas de spin e estavam procurando um novo desafio.
“Quando trabalhamos juntos, as coisas simplesmente fluem”, disse Bakshi. “Tem sido fantástico.”
Antes dessa descoberta em 2023, os três pesquisadores do MIT nunca haviam trabalhado com algoritmos quânticos. Sua formação era em teoria da aprendizagem, um subcampo da ciência da computação que se concentra em algoritmos para análise estatística. Mas, como todos os iniciantes ambiciosos, eles viam sua relativa ingenuidade como uma vantagem, uma maneira de ver um problema com novos olhos. “Um de nossos pontos fortes é que não sabemos muito sobre quântica”, disse Moitra. “A única quântica que conhecemos é a quântica que o Ewin nos ensinou.”
A equipe decidiu se concentrar em temperaturas relativamente altas, onde os pesquisadores suspeitavam da existência de algoritmos quânticos rápidos, embora ninguém tivesse conseguido provar isso. Em pouco tempo, eles encontraram uma maneira de adaptar uma técnica antiga da teoria do aprendizado em um novo algoritmo rápido. Mas, enquanto escreviam o artigo, outra equipe apresentou um resultado semelhante: uma prova de que um algoritmo promissor desenvolvido no ano anterior funcionaria bem em altas temperaturas. Eles haviam sido superados.
Morte súbita renasce
Um pouco chateados por terem ficado em segundo lugar, Tang e seus colaboradores começaram a se corresponder com Álvaro Alhambra, físico do Instituto de Física Teórica de Madri e um dos autores do artigo rival. Eles queriam resolver as diferenças entre os resultados que haviam obtido de forma independente. Mas quando Alhambra leu um rascunho preliminar da prova dos quatro pesquisadores, ele ficou surpreso ao descobrir que eles haviam provado outra coisa em uma etapa intermediária: Em qualquer sistema de spin em equilíbrio térmico, o emaranhamento desaparece completamente acima de uma determinada temperatura. “Eu disse a eles: ‘Oh, isso é muito, muito importante’”, disse Alhambra.
A equipe rapidamente revisou seu rascunho para destacar o resultado acidental. “Acontece que isso simplesmente sai do nosso algoritmo”, disse Moitra. “Recebemos mais do que esperávamos.”
Os pesquisadores observaram essa morte súbita do entrelaçamento desde os anos 2000, em experimentos e simulações em computadores clássicos comuns. Mas nenhum desses trabalhos anteriores conseguiu medir diretamente o desaparecimento do entrelaçamento. Eles também estudaram o fenômeno apenas em sistemas pequenos, que não são os mais interessantes.
“Poderia ser que, em sistemas cada vez maiores, fosse necessário atingir temperaturas cada vez mais altas para observar a falta de emaranhamento”, disse Alhambra. Nesse caso, o fenômeno da morte súbita poderia ocorrer em temperaturas tão altas que se tornaria irrelevante em materiais reais. O único limite teórico anterior, de 2003, deixava em aberto essa possibilidade. Em vez disso, Tang e seus colaboradores mostraram que a temperatura na qual o emaranhamento desaparece não depende do número total de átomos no sistema. A única coisa que importa são os detalhes das interações entre os átomos próximos.
A abordagem que eles usaram em sua prova foi, por si só, incomum. A maioria dos algoritmos para encontrar estados de equilíbrio térmico é inspirada na maneira como os sistemas físicos reais se aproximam do equilíbrio. Mas Tang e companhia usaram técnicas muito distantes da teoria quântica.
“É isso que é tão surpreendente nesse artigo”, disse Nikhil Srivastava, cientista da computação em Berkeley. “A prova meio que ignora a física”.
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A busca continua
A prova dos quatro pesquisadores de que os sistemas de spin de alta temperatura não possuem emaranhamento ajuda a explicar outro recurso interessante de seu novo algoritmo: Muito pouco dele é de fato quântico. É verdade que o resultado do algoritmo - uma descrição completa de como os átomos em um sistema de spin são orientados em equilíbrio térmico - é muito pesado para ser armazenado em uma máquina clássica. Mas, com exceção da última etapa que gera esse resultado, todas as partes do algoritmo são clássicas.
“É essencialmente a computação quântica mais trivial”, disse Liu.
Tang tem um longo histórico de descoberta de resultados de “dequantização” - provas de que os algoritmos quânticos não são realmente necessários para muitos problemas. Ela e seus colaboradores não estavam tentando fazer isso desta vez, mas a prova de emaranhamento desaparecido com a qual eles se depararam equivale a uma versão ainda mais extrema de dequantização. Não se trata apenas do fato de os algoritmos quânticos não oferecerem nenhuma vantagem em um problema específico envolvendo sistemas de spin de alta temperatura - não há nada de quântico nesses sistemas.
Mas isso não significa que os pesquisadores da computação quântica devam perder a esperança. Dois artigos recentes identificaram exemplos de sistemas de spin de baixa temperatura nos quais os algoritmos quânticos para medir os estados de equilíbrio superam os clássicos, embora ainda não se saiba o quanto esse comportamento é generalizado. E, embora Bakshi e seus colaboradores tenham provado um resultado negativo, o método pouco ortodoxo que usaram para chegar a esse resultado indica que novas ideias frutíferas podem vir de lugares inesperados.
“Podemos ser otimistas quanto ao fato de que há novos algoritmos malucos a serem descobertos”, disse Moitra. “E que, no processo, podemos descobrir uma bela matemática.”
História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em Computer Scientists Prove That Heat Destroys Quantum Entanglement.
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