Espera-se que a tecnologia quântica mude a forma como conjuntos de dados grandes e complexos são processados. Embora atualmente seja usado principalmente em laboratórios e ambientes de pesquisa, o campo está avançando constantemente em direção a aplicações do mundo real em diversos setores.
Num estudo recente sobre os fundamentos da física quântica, os investigadores examinaram como a matéria se comporta em escalas extremamente pequenas, incluindo átomos, eletrões e fotões. O trabalho, liderado pelo professor de Polifísica da UC, Ian Powell, concentrou-se em como a mudança do campo magnético ao longo do tempo pode fazer com que a matéria exiba propriedades incomuns e nunca antes vistas.
Powell e o estudante pesquisador Louis Buchalter, que se formou em física pela UCLA em 2025, publicaram suas descobertas na Physical Review B em um artigo intitulado “Flux-Switching Floquet Engineering”. A sua investigação mostra que quando os campos magnéticos mudam de forma controlada e dependente do tempo, podem criar estados quânticos que não existem em materiais que permanecem inalterados ao longo do tempo (permanecendo no mesmo estado à medida que o tempo passa).
“Em um nível geral, eu descreveria isso como um avanço na nossa compreensão de como o controle dependente do tempo pode criar e organizar novas formas de matéria quântica”, disse Powell. “A ideia básica é que propriedades quânticas úteis podem depender não apenas de qual é o material, mas também de como ele se move no tempo. No nosso caso, mostramos que uma variação periódica do campo magnético pode criar fases quânticas controláveis sem uma contraparte estática.”
Rumo a tecnologias quânticas mais estáveis
Ao cronometrar cuidadosamente a aplicação de campos magnéticos, os cientistas podem projetar sistemas quânticos com propriedades mais estáveis e menos vulneráveis a “ruído” ou imperfeições. Essas perturbações são um grande problema na tecnologia quântica, muitas vezes levando a erros nos cálculos ou no desempenho do sistema.
Powell observou que embora os detalhes técnicos possam ser difíceis de explicar fora do campo, o conceito mais amplo é claro. As descobertas sugerem novas maneiras de criar e estudar esses estados quânticos incomuns sob condições controladas, como experimentos com átomos ultrafrios.
“A relevância industrial mais direta de nossa pesquisa é a computação quântica e a simulação quântica, e não um setor de uso final específico neste estágio”, disse Powell. “Qualquer possível impacto em áreas como farmacêutica, finanças, manufatura ou aeroespacial provavelmente será indireto, contribuindo para o desenvolvimento a longo prazo de melhores tecnologias quânticas. Para passar para o uso industrial, os próximos passos serão a validação experimental e mais trabalho para conectar essas ideias a plataformas realistas de dispositivos quânticos.”
Novas regularidades matemáticas em sistemas quânticos
Além de criar novos estados quânticos, a pesquisa também revelou um princípio de organização matemática que reflete padrões comumente encontrados em sistemas quânticos de dimensões superiores. Isto sugere que sistemas relativamente simples impulsionados por condições variáveis podem fornecer novas formas de estudar física quântica mais complexa.
A equipe também descobriu como esses estados exóticos se formam, revelando uma estrutura precisa no diagrama de fase topológica do sistema. Este diagrama serve como um guia visual para as várias fases quânticas estáveis, cada uma definida por propriedades topológicas fixas.
Por que o controle quântico é importante para a computação
A mecânica quântica permite que os sistemas de computação processem informações de maneiras que excedem em muito as capacidades dos computadores clássicos. Esses sistemas podem realizar simulações em larga escala, analisar grandes conjuntos de dados e resolver problemas complexos com mais eficiência.
O papel principal neste processo é desempenhado pelos campos magnéticos. Eles são comumente usados para controlar e medir bits quânticos (ou qubits), as unidades fundamentais da informação quântica. Qubits são comparáveis às unidades 0 e 1 na computação clássica (atualmente usadas na computação convencional) usadas para representar estados elétricos físicos.
Experiência de pesquisa do aluno e trabalhos futuros
Para Buchalter, participar da pesquisa proporcionou informações valiosas sobre o processo de pesquisa e a comunicação acadêmica.
“Muito sobre o processo de condução de pesquisas e como os resultados de novas pesquisas são efetivamente comunicados à comunidade científica mais ampla.”
“Aprendi que a pesquisa raramente é um processo simples que muitas vezes requer persistência e solução criativa de problemas durante um projeto de pesquisa”, disse Buchalter. “Acredito que nossos resultados ajudam a demonstrar o poder da técnica Floquet para realizar sistemas quânticos com propriedades altamente ajustáveis, abrindo caminho para futuras pesquisas e desenvolvimento de matéria quântica com movimento periódico.”
Buchalter planeja iniciar um programa de mestrado em ciência e engenharia de materiais na Universidade de Washington no outono, onde se concentrará em pesquisas experimentais sobre matéria quântica. Ele também está considerando uma futura carreira em um laboratório nacional que desenvolve dispositivos quânticos.
“Originalmente assumi o projeto por causa do meu interesse na física da matéria condensada, mas através da minha experiência me interessei pelo campo dos materiais quânticos”, disse Buchalter. “Estou muito interessado em continuar estudando a matéria quântica e ajudar a desenvolver suas aplicações em dispositivos eletrônicos e fotônicos”.
