UM COLISOR DE PARTÍCULAS DENTRO DE UM COMPUTADOR QUÂNTICO

As colisões são há muito tempo uma das principais ferramentas da física para sondar a estrutura interna da matéria. Os simuladores quânticos agora permitem realizar colisões em hardware quântico, onde a intensidade das interações pode ser ajustada à vontade, de fraca a muito forte.

Em materiais reais nos quais os elétrons interagem fortemente, as colisões entre quasipartículas — excitações coletivas que se comportam como partículas — governam como a carga e a energia se movem. Mas em geral elas são estudadas apenas indiretamente, por espectroscopia. Um simulador quântico pode criar quasipartículas individuais, lançá-las e observá-las colidir no espaço e no tempo.

Dois projéteis opostos

Chan Bin Bark, Moon Jip Park e colegas da Universidade Hanyang, em Seul, da Universidade Ajou, na Coreia, e da Universidade Estadual de Ohio, nos Estados Unidos, escolheram um modelo clássico de elétrons em interação, o modelo de Fermi-Hubbard. Os elétrons saltam de sítio em sítio ao longo de uma cadeia, e dois elétrons no mesmo sítio se repelem com uma energia U. Com exatamente um elétron por sítio, a cadeia se torna um chamado isolante de Mott.

Sobre esse fundo, dois tipos de excitações podem transportar carga:

um dúblon, um sítio com dois elétrons;
um hólon, um sítio vazio.

Eles se comportam como uma partícula e sua antipartícula. Colisões entre quasipartículas idênticas já tinham sido estudadas; uma colisão entre duas quasipartículas diferentes, cada uma preparada individualmente, não.

Construindo o colisor

A equipe codificou uma cadeia de 21 sítios em 42 qubits do processador quântico supercondutor da IBM ibm_boston, dois qubits por sítio. Colocaram um dúblon de um lado e um hólon do outro.

Para lançá-los, primeiro desligaram por um curto período os saltos em direção às bordas externas, de modo que cada excitação só pudesse se mover em direção ao centro — como um portão de largada. Depois restauraram todos os saltos e deixaram os dois pacotes se encontrarem perto do meio.

Executar esses circuitos no hardware ruidoso atual exigiu cuidado: escolheram os melhores qubits com testes preliminares, fizeram 70.000 medições por ponto de dados e usaram o fato de que o número total de partículas deve permanecer constante para corrigir erros. Compararam tudo com uma solução teórica exata do modelo, conhecida como ansatz de Bethe, e com simulações em computadores clássicos.

Atravessar, ricochetear ou ambos

Com repulsão fraca (U = 1), o dúblon e o hólon se atravessam e seguem em frente.
Com repulsão forte (U = 7), eles ricocheteiam. Para trocar de lugar, teriam de passar por um arranjo intermediário que custa uma energia U, então se comportam como bolas rígidas.
Nos dois casos, saem tão rápido quanto chegaram: a colisão é elástica.

Eles mediram a probabilidade de atravessar para repulsões de 1 a 8. Ela segue a teoria exata sem nenhum parâmetro ajustado — algo inédito para quasipartículas deste modelo em hardware quântico, segundo os autores.

Metade atravessa, metade volta

Numa repulsão intermediária (U = 3,5), acontece algo incomum: a carga quase desaparece após a colisão. Medir dúblons e hólons separadamente mostra por quê. Nenhum deles sumiu — o número de dúblons não cai —, mas cada um se espalhou pelos dois lados da cadeia. O estado de saída parece uma mistura de “atravessou” e “ricocheteou” em proporções comparáveis.

Essa superposição emaranha as metades esquerda e direita da cadeia. A equipe a detectou sem uma reconstrução completa do estado quântico, medindo o quanto o número de partículas na metade esquerda flutua de uma execução para outra. A flutuação é máxima no regime intermediário.

Como controle, substituíram o hólon por um segundo dúblon. Dois dúblons idênticos não podem trocar de lugar e, de fato, sua colisão pareceu quase igual em todas as repulsões, quase sem flutuação.

O que resta mostrar

Os autores são cautelosos: suas medições mostram que os dois resultados estão presentes, e em que proporções, mas não provam diretamente que os dois estão superpostos de forma coerente. Essa interpretação se apoia nas leis da evolução quântica e na concordância com a teoria. Um experimento de interferência poderia confirmá-la quando simulações mais longas se tornarem possíveis — além da janela de tempo estudada aqui, até as simulações clássicas têm dificuldade para acompanhar.