Quantum Chill Desenvolvendo os primeiros computadores quânticos “Átomos frios (neutros)” do Japão

O Instituto de Ciência Molecular lançou uma Plataforma Preparatória para Comercialização, em colaboração com 10 parceiros da indústria, para acelerar o desenvolvimento de “frios (neutros)

O Instituto de Ciência Molecular (IMS), Instituto Nacional de Ciências Naturais, estabeleceu uma “Plataforma Preparatória para Comercialização (PF)” para acelerar o desenvolvimento de novos computadores quânticos, com base na realização de um grupo de pesquisa liderado pelo Prof. O lançamento do PF foi possível graças à colaboração com 10 parceiros do setor, incluindo empresas e instituições financeiras. Os 10 parceiros que aderiram ao PF incluem (listados em ordem alfabética): blueqat Inc., Development Bank of Japan Inc., Fujitsu Limited, Groovenauts, Inc., Hamamatsu Photonics KK, Hitachi, Ltd., e NEC Corporation.

Comercialização e Colaboração

Com o FP em vigor, o IMS aproveitará a experiência das empresas participantes e procurará aconselhamento e apoio em questões relacionadas com a comercialização, tais como os processos de criação de uma empresa start-up, desenvolvimento de computadores quânticos produzidos internamente e esforços de I&D para permitir a aplicação prática de computadores quânticos e seus serviços associados. Ela planeja lançar uma empresa start-up até o final do ano fiscal de 2024 e iniciar o desenvolvimento de computadores quânticos de “átomo frio (neutro)”.

Configuração experimental para o computador quântico de átomo frio (átomo neutro) do grupo Kenji Ohmori. Crédito: Takafumi Tomita

Avanços tecnológicos e competição global

Há uma competição acirrada em todo o mundo para o desenvolvimento de computadores quânticos por diversas modalidades. Contudo, subsistem uma série de questões que precisam de ser abordadas para garantir que estes computadores possam ser utilizados de forma prática; essas questões incluem a necessidade de expandir a escala desses computadores e a capacidade de tomar medidas contra erros que possam ocorrer durante a computação. Nos últimos anos, a modalidade “átomo frio (neutro), que utiliza átomos individuais como qubits, tem atraído a atenção da indústria, da academia e de governos em todo o mundo como um novo método revolucionário para superar estes problemas. Outra característica da modalidade de átomo frio (neutro) é que ela opera em temperatura ambiente e não requer refrigeradores, necessários para as modalidades qubit supercondutor e qubit de silício. O grupo Ohmori no IMS é líder mundial no desenvolvimento de computadores quânticos de átomos frios (neutros). O grupo tem uma série de vantagens tecnológicas e competências essenciais,^[1] incluindo “pinças ópticas” e tecnologias de microscópio para controlar um grande número de qubits de alta qualidade em uma superfície plana, e “portões ultrarrápidos de dois qubits” que usam um laser ultrarrápido para criar um emaranhado quântico entre dois qubits em apenas 6,5 nanossegundos. Em particular, as portas de dois qubits representam uma importante tecnologia central que permite a extraordinária velocidade computacional dos computadores quânticos. Em 2022, as portas ultrarrápidas de dois qubit desenvolvidas pelo grupo Ohmori alcançaram uma inovação disruptiva que acelera as portas de dois qubit do método convencional do átomo frio (neutro) em duas ordens de magnitude ao mesmo tempo. Ao aproveitar estes avanços técnicos e competências essenciais do grupo Ohmori, o IMS acelerará o desenvolvimento e a comercialização de computadores quânticos em colaboração com os seus parceiros industriais.

Equipe de desenvolvimento de computadores quânticos do grupo Kenji Ohmori. Crédito: grupo Kenji Ohmori

Primeira demonstração mundial de supremacia quântica usando computadores quânticos supercondutores em 2019^[2]

Mensagem do Professor John Martinis, Universidade da Califórnia, Santa Bárbara: “O professor Kenji Ohmori e sua equipe fizeram recentemente um grande avanço para superar a fraqueza do método do átomo neutro usando lasers ultrarrápidos para acelerar drasticamente sua porta de dois qubits em duas ordens de magnitude. Suas pinças ópticas e tecnologia de microscópio para manipular qubits atômicos individuais também são excelentes. A equipe é, portanto, um candidato extremamente promissor para a realização de um computador quântico prático num futuro próximo. Gostaria de participar ativamente e contribuir para a aplicação prática e comercialização de seu computador quântico, fazendo uso da minha experiência.” Mensagem de Yuki Takemori, Gerente Geral, Escritório de Promoção de Inovação, Departamento de Planejamento e Coordenação de Negócios, Development Bank of Japan Inc. Gerente Geral de Projetos da PF: “Após o rebentamento da bolha econômica, a economia japonesa passou os '30 anos perdidos' sem qualquer pista do seu crescimento futuro. Eu espero a computação quântica será uma tecnologia que trará uma evolução revolucionária para a humanidade, semelhante à Internet e inteligência artificial (IA) é um ramo da ciência da computação focado na criação de sistemas que podem executar tarefas que normalmente requerem inteligência humana. Essas tarefas incluem compreender a linguagem natural, reconhecer padrões, resolver problemas e aprender com a experiência. As tecnologias de IA usam algoritmos e grandes quantidades de dados para treinar modelos que podem tomar decisões, automatizar processos e melhorar ao longo do tempo por meio do aprendizado de máquina. As aplicações da IA ​​são diversas, impactando campos como saúde, finanças, automotivo e entretenimento, mudando fundamentalmente a forma como interagimos com a tecnologia. Crescerá e se tornará uma indústria extremamente importante para o Japão, atuando como um catalisador para o seu desenvolvimento e avanço. As capacidades tecnológicas do professor Kenji Ohmori e da sua equipa são um tesouro global e um trunfo para o renascimento da economia japonesa. Espero que este projeto se espalhe por toda parte.” Mensagem do Professor Kenji Ohmori, Instituto de Ciência Molecular: “Gostaria de expressar minha sincera gratidão pelo apoio de empresas tão ilustres ao desenvolvimento de nosso computador quântico de átomo frio (átomo neutro). Embora tenhamos absoluta confiança na nossa tecnologia básica, o desenvolvimento de computadores quânticos práticos requer a integração de uma variedade de “tecnologias facilitadoras”, incluindo electrónica convencional, software, engenharia de sistemas e arquitectura. Com o lançamento desta plataforma de comercialização, fortaleceremos ainda mais os nossos esforços de desenvolvimento e trabalharemos arduamente para criar um computador quântico que possa contribuir para a nossa sociedade o mais rapidamente possível.” Notas:

1. Competência central: uma capacidade definidora que distingue uma empresa de seus concorrentes
2. Supremacia quântica: uma demonstração da vantagem de um computador quântico sobre os computadores clássicos, incluindo supercomputadores, para processar cálculos que convencionalmente levariam muito tempo para serem processados ​​em velocidades incomparáveis

Financiamento de Pesquisa:

• Gabinete de Gabinete / Programa de P&D JST Moonshot (JPMJMS2269)
• Programa emblemático MEXT Quantum Leap (JPMXS0120181201)

https://w3b.com.br/quantum-chill-desenvolvendo-os-primeiros-computadores-quanticos-atomos-frios-neutros-do-japao/?feed_id=14536&_unique_id=671ec74ccf68e

A revolucionária tecnologia Qubit

Os pesquisadores estão avançando na computação quântica desenvolvendo qubits baseados no spin de elétrons e buracos, com descobertas recentes na Universidade de Basel mostrando interações controladas entre qubits usando spins de buracos. Esses avanços sugerem um futuro promissor para computadores quânticos eficientes e escalonáveis ​​que usam a tecnologia de silício existente.

Avanços na tecnologia qubit na Universidade de Basel mostram promessa de escalabilidade

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quânticausando spins de elétrons e buracos para obter controle e interações precisas de qubits. A busca por um computador quântico prático está a todo vapor, com pesquisadores de todo o mundo explorando uma ampla gama de tecnologias qubit. Apesar dos extensos esforços, ainda não há consenso sobre qual tipo de qubit maximiza melhor o potencial da ciência da informação quântica. Qubits são a base de um computador quântico. Eles são responsáveis ​​por processar, transferir e armazenar dados. Qubits eficazes devem armazenar informações de maneira confiável e processar informações rapidamente. Isso exige interações estáveis ​​e rápidas entre um grande número de qubits que sistemas externos possam controlar com precisão. Os computadores quânticos mais avançados de hoje possuem apenas algumas centenas de qubits. Isso os limita a realizar cálculos que os computadores convencionais já são capazes de realizar e que muitas vezes podem fazer com mais eficiência. Para que a computação quântica avance, os pesquisadores devem encontrar uma maneira de acomodar milhões de qubits em um único chip.

Elétrons e Buracos

Para resolver o problema de organizar e vincular milhares de qubits, pesquisadores da Universidade de Basel e do NCCR SPIN contam com um tipo de qubit que usa o spin (momento angular intrínseco) de um elétron ou de um buraco. Um buraco é essencialmente um elétron ausente em um semicondutor. Tanto os buracos quanto os elétrons possuem spin, que pode adotar um de dois estados: para cima ou para baixo, análogo a 0 e 1 nos bits clássicos. Comparado ao spin do elétron, o spin do buraco tem a vantagem de poder ser totalmente controlado eletricamente sem a necessidade de componentes adicionais, como microímãs no chip.

Dois qubits de rotação de buracos interagindo. Quando um buraco (magenta/amarelo) passa de um local para outro, seu spin (seta) gira devido ao chamado acoplamento spin-órbita, levando a interações anisotrópicas representadas pelas bolhas circundantes. Crédito: NCCR SPIN

Em 2022, os físicos da Basileia demonstrado que o buraco gira em um dispositivo eletrônico existente pode ser capturado e usado como qubits. Esses “FinFETs” (transistores de efeito de campo fin) são integrados aos smartphones modernos e são produzidos em processos industriais generalizados. Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Andreas Kuhlmann conseguiu pela primeira vez alcançar uma interação controlável entre dois qubits dentro desta configuração.

Spin-Flip controlado rápido e preciso

Um computador quântico precisa de “portas quânticas” para realizar cálculos. Estes representam operações que manipulam os qubits e os acoplam entre si. Como relatam os pesquisadores na revista Física da Natureza, eles foram capazes de acoplar dois qubits e provocar um giro controlado de um de seus giros, dependendo do estado do giro do outro – conhecido como giro-flip controlado. “Os hole spins nos permitem criar portas de dois qubits que são rápidas e de alta fidelidade. Este princípio agora também torna possível acoplar um número maior de pares de qubits”, diz Kuhlmann. O acoplamento de dois qubits de spin é baseado em sua interação de troca, que ocorre entre duas partículas indistinguíveis que interagem entre si eletrostaticamente. Surpreendentemente, a energia de troca dos buracos não é apenas controlável eletricamente, mas também fortemente anisotrópica. Isto é uma consequência do acoplamento spin-órbita, o que significa que o estado de spin de um buraco é influenciado pelo seu movimento através do espaço. Para descrever esta observação em um modelo, físicos experimentais e teóricos da Universidade de Basel e do NCCR SPIN combinaram forças. “A anisotropia torna possíveis portas de dois qubits sem o compromisso usual entre velocidade e fidelidade”, diz Kuhlmann. “Qubits baseados em hole spins não apenas aproveitam a fabricação testada e comprovada de chips de silício, mas também são altamente escaláveis ​​e provaram ser rápidos e robustos em experimentos.” O estudo ressalta que esta abordagem tem uma grande chance na corrida para desenvolver um computador quântico em grande escala. Referência: “Interação de troca anisotrópica de dois qubits hole-spin” por Simon Geyer, Bence Hetényi, Stefano Bosco, Leon C. Camenzind, Rafael S. Eggli, Andreas Fuhrer, Daniel Loss, Richard J. Warburton, Dominik M. Zumbühl e Andreas V. Kuhlmann, 6 de maio de 2024, Física da Natureza. DOI: 10.1038/s41567-024-02481-5 https://w3b.com.br/a-revolucionaria-tecnologia-qubit/?feed_id=10287&_unique_id=670872f363a7b

Salto quântico: físicos do arroz desbloqueiam memória semelhante a flash para futuros Qubits

físicos do arroz desbloqueiam memória

Físicos da Rice University descobriram um material quântico que pode alternar entre duas fases eletrônicas, abrindo caminho para tecnologias avançadas de memória quântica capazes de armazenar qubits de maneira confiável. Crédito: SciTechDaily.com

A descoberta do arroz pode acelerar o desenvolvimento da memória quântica não volátil.

Físicos da Rice University descobriram um material quântico de mudança de fase - e um método para encontrar mais parecido - que poderia ser usado para criar uma memória semelhante a flash, capaz de armazenar bits quânticos de informação, ou qubits, mesmo quando um computador quântico estiver ligado. abaixo.

Materiais de mudança de fase e memória digital

Materiais de mudança de fase têm sido usados ​​em memórias digitais não voláteis disponíveis comercialmente. Em DVDs regraváveis, por exemplo, um laser é usado para aquecer pequenos pedaços de material que esfriam para formar cristais ou aglomerados amorfos. Duas fases do material, que possuem propriedades ópticas muito diferentes, são usadas para armazenar os uns e os zeros dos bits digitais de informação. Em um estudo de acesso aberto publicado recentemente em Nature Communications, o físico Ming Yi, do Rice, e mais de três dezenas de coautores de uma dúzia de instituições mostraram de forma semelhante que poderiam usar o calor para alternar um cristal de ferro, germânio e telúrio entre duas fases eletrônicas. Em cada um deles, o movimento restrito dos elétrons produz estados quânticos topologicamente protegidos. Em última análise, o armazenamento de qubits em estados topologicamente protegidos poderia reduzir potencialmente os erros relacionados à decoerência que têm atormentado

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica.

físicos do arroz desbloqueiam memória

O físico experimental Han Wu (à esquerda) da Rice University e o físico teórico Lei Chen fizeram parceria com colegas de mais de uma dúzia de instituições de pesquisa na descoberta de um material quântico de mudança de fase que poderia ser potencialmente usado para criar memória não volátil capaz de armazenar bits quânticos de informação , ou qubits. Wu e Chen são os principais autores de um estudo revisado por pares na Nature Communications sobre a pesquisa. Crédito: Gustavo Raskosky/Rice University

Descoberta e experimentação surpreendentes

“Isso foi uma surpresa total”, disse Yi sobre a descoberta. “Inicialmente nos interessamos por esse material por causa de suas propriedades magnéticas. Mas então realizaríamos uma medição e veríamos esta fase, e então para outra medição veríamos a outra. Nominalmente era o mesmo material, mas os resultados foram muito diferentes.” Foram necessários mais de dois anos e trabalho colaborativo com dezenas de colegas para decifrar o que estava acontecendo nos experimentos. Os pesquisadores descobriram que algumas das amostras de cristal esfriaram mais rápido do que outras quando foram aquecidas antes dos experimentos. Ao contrário dos materiais usados ​​na maioria das tecnologias de memória de mudança de fase, Yi e colegas descobriram o ferro-germânio-telúrio

Liga

Uma mistura de dois elementos metálicos normalmente usados ​​para dar maior resistência ou maior resistência à corrosão.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">liga não precisou ser derretido e recristalizado para mudar de fase. Em vez disso, eles descobriram que os locais atômicos vazios na rede do cristal, conhecidos como vagas, estavam organizados em padrões ordenados de forma diferente, dependendo da rapidez com que o cristal esfriava. Para mudar de uma fase padronizada para outra, eles mostraram que poderiam simplesmente reaquecer o cristal e resfriá-lo por um período de tempo mais longo ou mais curto.

Implicações teóricas e direções futuras

“Se você quiser alterar a ordem das vagas em um material, isso normalmente acontece em temperaturas muito mais baixas do que as necessárias para derreter tudo”, disse Yi. Ela disse que poucos estudos exploraram como as propriedades topológicas dos materiais quânticos mudam em resposta a mudanças na ordem das vagas. “Essa é a principal conclusão”, disse ela sobre a ordem alternável de vagas do material. “A ideia de usar a ordem de vagas para controlar a topologia é o importante. Isso simplesmente não foi realmente explorado. As pessoas geralmente olham para os materiais apenas de uma perspectiva totalmente estequiométrica, o que significa que tudo está ocupado com um conjunto fixo de simetrias que levam a um tipo de topologia eletrônica. Mudanças na ordem das vagas alteram a simetria da rede. Este trabalho mostra como isso pode mudar a topologia eletrônica. E parece provável que a ordem das vagas também possa ser usada para induzir mudanças topológicas em outros materiais.” O físico teórico de Rice, Qimiao Si, coautor do estudo, disse: “Acho incrível que meus colegas experimentalistas possam organizar uma mudança na simetria cristalina em tempo real. Ele permite uma capacidade de comutação completamente inesperada e ainda assim totalmente acolhedora para a teoria, bem como procuramos projetar e controlar novas formas de topologia através da cooperação de correlações fortes e simetria de grupo espacial.” Referência: “Comutação eletrônica não volátil reversível em um ferromagnet van der Waals de temperatura próxima à sala” por Han Wu, Lei Chen, Paul Malinowski, Bo Gyu Jang, Qinwen Deng, Kirsty Scott, Jianwei Huang, Jacob PC Ruff, Yu He , Xiang Chen, Chaowei Hu, Ziqin Yue, Ji Seop Oh, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Yue Shi, Chandan Setty, Tyler Werner, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Turgut Yilmaz, Elio Vescovo, Sung-Kwan Mo, Alexei Fedorov, Jonathan D. Denlinger, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han, Xiaodong Xu, Robert J. Birgeneau, Jian-Xin Zhu, Eduardo H. da Silva Neto, Liang Wu, Jiun- Haw Chu, Qimiao Si e Ming Yi, 28 de março de 2024, Comunicações da Natureza. DOI: 10.1038/s41467-024-46862-z Os principais autores do estudo são Han Wu e Lei Chen, ambos da Rice. Co-autores adicionais de Rice incluem Jianwei Huang, Xiaokun Teng, Yucheng Guo, Mason Klemm, Chuqiao Shi, Chandan Setty, Yaofeng Xie, Bin Gao, Junichiro Kono, Pengcheng Dai, Yimo Han e Si. Yi, Dai, Han, Kono e Si são membros da Rice Quantum Initiative e do Rice Center for Quantum Materials. O estudo foi coautor de pesquisadores do

universidade de Washington

Fundada em 1861, a Universidade de Washington (UW, simplesmente Washington, ou informalmente U-Dub) é uma universidade pública de pesquisa em Seattle, Washington, com campi adicionais em Tacoma e Bothell. Classificada como uma classificação R1 Doctoral Research University sob a Classificação Carnegie de Instituições de Ensino Superior, a UW é membro da Association of American Universities.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">Universidade de WashingtonLaboratório Nacional de Los Alamos, Universidade Kyung Hee da Coreia do Sul, Universidade da Pensilvânia,

Universidade de Yale

Fundada em 1701, a Universidade de Yale é uma universidade privada de pesquisa da Ivy League em New Haven, Connecticut. É a terceira instituição de ensino superior mais antiga dos Estados Unidos e está organizada em quatorze escolas constituintes: a faculdade de graduação original, a Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências de Yale e doze escolas profissionais. Seu nome é uma homenagem ao governador da Companhia Britânica das Índias Orientais, Elihu Yale.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">Universidade de Yalea Universidade da Califórnia Davis, a Universidade Cornell, a Universidade da Califórnia Berkeley, o Laboratório Nacional de Aceleradores do Stanford Linear Accelerator Center, o Laboratório Nacional de Brookhaven e o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Instalações de Usuários Científicos do Departamento de Energia (DOE) (DE-AC02-05CH11231, DE-AC02-76SF00515, DE-SC0012704), pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE (DE-SC0021421, DE-SC0018197 , DE-SC0019443, DE-AC02-05-CH11231, DE-AC02-76SF00515), Iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF9470), Fundação Robert A. Welch (C-2175, C-1411, C-1839 , C-2065-20210327), o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0356, FA9550-22-1-0449, FA9550-22-1-0410), uma bolsa do corpo docente Vannevar Bush gerenciada pelo Escritório de Pesquisa Naval em nome do Escritório de Pesquisa Básica do Departamento de Defesa (ONR-VB N00014-23-1-2870), da Administração Nacional de Segurança Nuclear do DOE (89233218CNA000001), do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório do DOE (FR-20-653926 ), o Army Research Office (W911NF-19-1-0342), a National Science Foundation (2213891, 1829070, 2100741, 2034345), o Sloan Research Fellows Program da Alfred P. Sloan Foundation e o Rice's Electron Microscopy Center. físicos do arroz desbloqueiam memória

https://w3b.com.br/salto-quantico-fisicos-do-arroz-desbloqueiam-memoria-semelhante-a-flash-para-futuros-qubits/?feed_id=8596&_unique_id=6689c6d5acaf1

Embaralhamento quântico: reações químicas que rivalizam com buracos negros

Embaralhamento quântico: reações químicas que rivalizam

Os cientistas descobriram que as moléculas embaralham informações quânticas a taxas comparáveis ​​às dos buracos negros, afetando as reações químicas e oferecendo insights para controlar os sistemas de computação quântica. Crédito: SciTechDaily.com

Uma pesquisa da Universidade Rice e da Universidade de Illinois Urbana-Champaign mostrou que as moléculas podem embaralhar informações quânticas tão eficazmente quanto os buracos negros, com implicações para a física química e

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica. Se você jogasse uma mensagem contida em uma garrafa em um

buraco negro

Um buraco negro é um lugar no espaço onde o campo gravitacional é tão forte que nem mesmo a luz consegue escapar dele. Os astrônomos classificam os buracos negros em três categorias por tamanho: buracos negros em miniatura, estelares e supermassivos. Os buracos negros em miniatura poderiam ter uma massa menor que o nosso Sol e os buracos negros supermassivos poderiam ter uma massa equivalente a bilhões do nosso Sol.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">buraco negro, todas as informações contidas nele, até o nível quântico, ficariam completamente embaralhadas. Como nos buracos negros esta confusão acontece tão rápida e completamente quanto a mecânica quântica permite, eles são geralmente considerados os derradeiros misturadores de informação da natureza. Uma nova pesquisa do teórico da Universidade Rice, Peter Wolynes, e de colaboradores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, no entanto, mostrou que as moléculas podem ser tão formidáveis ​​na mistura de informações quânticas quanto os buracos negros. Combinando ferramentas matemáticas da física dos buracos negros e da física química, eles mostraram que a confusão de informações quânticas ocorre em reações químicas e pode atingir quase o mesmo limite da mecânica quântica que ocorre nos buracos negros. O trabalho está publicado on-line no Anais da Academia Nacional de Ciências.

Reações Químicas e Embaralhamento Quântico

“Este estudo aborda um problema de longa data na física química, que tem a ver com a questão de quão rápido a informação quântica é embaralhada nas moléculas”, disse Wolynes. “Quando as pessoas pensam em uma reação em que duas moléculas se unem, elas pensam que os átomos realizam apenas um único movimento onde uma ligação é feita ou quebrada. “Mas do ponto de vista da mecânica quântica, mesmo uma molécula muito pequena é um sistema muito complicado. Muito parecido com as órbitas do sistema solar, uma molécula tem um grande número de estilos possíveis de movimento – coisas que chamamos de estados quânticos. Quando ocorre uma reação química, a informação quântica sobre os estados quânticos dos reagentes fica embaralhada, e queremos saber como a confusão de informações afeta a taxa de reação.”

Chenghao Zhang (esquerda) e Sohang Kundu. Crédito: Foto de Zhang por Bill Wiegand/Universidade de Illinois Urbana-Champaign; foto de Kundu cortesia de Sohang Kundu

Para entender melhor como a informação quântica é embaralhada nas reações químicas, os cientistas pegaram emprestada uma ferramenta matemática normalmente usada na física dos buracos negros, conhecida como correlacionadores de ordem fora do tempo, ou OTOCs. “Os OTOCs foram inventados em um contexto muito diferente há cerca de 55 anos, quando foram usados ​​para observar como os elétrons em supercondutores são afetados por perturbações causadas por uma impureza”, disse Wolynes. “Eles são um objeto muito especializado usado na teoria da supercondutividade. Eles foram usados ​​​​em seguida por físicos na década de 1990, estudando buracos negros e teoria das cordas.” Os OTOCs medem o quanto o ajuste de uma parte de um sistema quântico em algum momento afetará os movimentos das outras partes – fornecendo informações sobre a rapidez e eficácia com que a informação pode se espalhar por toda a molécula. Eles são o análogo quântico dos expoentes de Lyapunov, que medem a imprevisibilidade em sistemas caóticos clássicos. “A rapidez com que um OTOC aumenta com o tempo indica a rapidez com que as informações estão sendo embaralhadas no sistema quântico, o que significa quantos estados de aparência aleatória estão sendo acessados”, disse Martin Gruebele, químico de Illinois Urbana-Champaign e coautor do livro. estudo que faz parte do Centro Conjunto Rice-Illinois para Adaptação de Falhas como Recursos, financiado pela National Science Foundation. “Os químicos estão muito em conflito com o embaralhamento nas reações químicas, porque o embaralhamento é necessário para atingir o objetivo da reação, mas também atrapalha o seu controle sobre a reação. “Compreender em que circunstâncias as moléculas embaralham informações e em que circunstâncias elas potencialmente não o fazem nos dá uma ideia de como realmente podemos controlar melhor as reações. Conhecer os OTOCs basicamente nos permite estabelecer limites sobre quando essas informações estão realmente desaparecendo do nosso controle e, inversamente, quando ainda podemos aproveitá-las para ter resultados controlados.”

Peter Wolynes (da esquerda), Nancy Makri e Martin Gruebele. Crédito: Foto de Wolynes Gustavo Raskosky/Rice University; foto de Makri cortesia de Nancy Makri; foto de Gruebele por Fred Zwicky / Universidade de Illinois Urbana-Champaign

Na mecânica clássica, uma partícula deve ter energia suficiente para superar uma barreira de energia para que ocorra uma reação. No entanto, na mecânica quântica, existe a possibilidade de que as partículas possam “tunelar” através desta barreira mesmo que não possuam energia suficiente. O cálculo dos OTOCs mostrou que as reações químicas com baixa energia de ativação em baixas temperaturas, onde predomina o tunelamento, podem embaralhar informações quase no limite quântico, como um buraco negro. Nancy Makri, também química em Illinois Urbana-Champaign, usou métodos de integral de caminho que desenvolveu para estudar o que acontece quando o modelo de reação química simples é incorporado em um sistema maior, que poderia ser as vibrações da própria molécula grande ou um solvente, e tende a para suprimir o movimento caótico. “Num estudo separado, descobrimos que ambientes grandes tendem a tornar as coisas mais regulares e a suprimir os efeitos de que estamos a falar”, disse Makri. “Portanto, calculamos o OTOC para um sistema de túneis interagindo com um ambiente grande, e o que vimos foi que a confusão foi extinta – uma grande mudança no comportamento.”

Aplicações Práticas e Pesquisas Futuras

Uma área de aplicação prática para os resultados da pesquisa é estabelecer limites sobre como os sistemas de tunelamento podem ser usados ​​para construir qubits para computadores quânticos. É preciso minimizar o embaralhamento de informações entre sistemas de tunelamento em interação para melhorar a confiabilidade dos computadores quânticos. A pesquisa também pode ser relevante para reações acionadas pela luz e design de materiais avançados. “Há potencial para estender essas ideias a processos onde você não estaria apenas tunelando em uma reação específica, mas onde você teria múltiplas etapas de tunelamento, porque é isso que está envolvido, por exemplo, na condução de elétrons em muitas das novas tecnologias suaves. materiais quânticos como perovskitas que estão sendo usados ​​para fabricar células solares e coisas assim”, disse Gruebele. Referência: “Embaralhamento de informações quânticas e reações químicas” por Chenghao Zhang, Sohang Kundu, Nancy Makri, Martin Gruebele e Peter G. Wolynes, 1º de abril de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências. DOI: 10.1073/pnas.2321668121 Wolynes é professor de ciências da Fundação DR Bullard-Welch da Rice, professor de química, bioquímica e biologia celular, física e astronomia e ciência de materiais e nanoengenharia e codiretor de seu Centro de Física Teórica Biológica, que é financiado pela National Science Fundação. Co-autores Gruebele é o James R. Eiszner Endowed Chair in Chemistry; Makri é professor Edward William e Jane Marr Gutgsell e professor de química e física; Chenghao Zhang era estudante de pós-graduação em física em Illinois Urbana-Champaign e agora é pós-doutorado no Pacific Northwest National Lab; e Sohang Kundu recebeu recentemente seu Ph.D. em química pela Universidade de Illinois e atualmente é pós-doutorado na

Universidade Columbia

A Columbia University é uma universidade privada de pesquisa da Ivy League na cidade de Nova York, fundada em 1754. Isso a torna a instituição de ensino superior mais antiga de Nova York e a quinta mais antiga dos Estados Unidos. Muitas vezes é chamada apenas de Columbia, mas seu nome oficial é Columbia University, na cidade de Nova York.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">Universidade de Columbia. A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (1548562, 2019745, 1955302) e pela Cátedra Bullard-Welch em Rice (C-0016). https://w3b.com.br/embaralhamento-quantico-reacoes-quimicas-que-rivalizam-com-buracos-negros/?feed_id=6769&_unique_id=666a23133f243