Físicos usaram simuladores quânticos para testar, pela primeira vez, os níveis de energia previstos por uma teoria com quatro décadas que descreve como materiais diferentes se comportam da mesma forma numa transição de fase. O resultado, publicado na revista Nature, saiu de uma colaboração entre o Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), a Universidade Paris-Saclay e a Universidade Técnica de Munique. A pesquisa reforça o interesse no domínio desses sistemas para computação quântica.
O que é a teoria dos campos conformes
Quando a matéria muda de uma fase para outra, sistemas muito distintos começam a seguir as mesmas regras matemáticas. Água prestes a ferver e um ímã perdendo a magnetização são exemplos clássicos desse comportamento. Os físicos chamam essa propriedade de universalidade: os detalhes microscópicos, bagunçados, se apagam e só restam alguns traços essenciais.
Grande parte desse comportamento universal é descrita por uma ferramenta matemática chamada teoria dos campos conformes. Ela existe há cerca de 40 anos, mas os físicos nunca tinham conseguido medir experimentalmente os espaçamentos entre os níveis de energia que ela prevê – até agora.
Como o experimento foi feito
Para colocar a teoria à prova, a equipe construiu um sistema quântico usando átomos neutros presos por feixes de laser, numa técnica chamada pinças ópticas. O aparato, que também é usado em computação quântica, permitiu medir pela primeira vez os níveis de energia previstos pelas teorias de Ising e de Ising tricrítico.
Numa transição gaussiana provocada por efeitos quânticos – e não pela temperatura –, os lasers excitam o sistema em uma sequência de energias que lembra os degraus de uma escada. “Os níveis de energia previstos por essas teorias são importantes porque guardam informação profunda sobre as próprias teorias”, disse Jason Alicea, professor de física teórica do Caltech, em comunicado.
Pesquisa fundamental com sabor de computação
As novas ferramentas tiram proveito das plataformas usadas em computação quântica. “Nos últimos dez anos, aprendemos a controlar esses sistemas, e agora chegamos ao ponto de usá-los para fazer física fundamental”, afirmou Xiangkai Sun, estudante e coautor do estudo. Num experimento relacionado, o laboratório de Endres chegou a prender 6.100 átomos numa única matriz.
O resultado abre caminho não só para validar teorias antigas, mas também para explorar novos estados da matéria que unem partículas de regras opostas. A capacidade de medir essas energias aproxima a física teórica das aplicações práticas do mundo quântico.
Além disso, medir esses níveis de energia aproxima os laboratórios de aplicações mais robustas, um passo importante para quem aposta em redes e sensores quânticos do futuro.