A pesquisa apoiada pelo Quantum Leap Center avança no campo da simulação quântica usando sistemas quânticos em escala atômica. Os diamantes são frequentemente valorizados pelo seu brilho impecável, mas o professor assistente de física Zu Chongzhi vê um valor mais profundo nestes cristais naturais. Conforme relatado na Physical Review Letters, uma das revistas de física de maior prestígio, a equipe ChongZu deu um passo importante em sua busca para transformar diamantes em simuladores quânticos.
Os co-autores do artigo incluem a professora de física Kater Murch, os estudantes de doutorado He Guanghui, Ruotian (Reginald) Gong e Liu Zhongyuan. Seu trabalho foi parcialmente apoiado pelo Center for Quantum Leaps. O Quantum Leap Center é uma iniciativa exclusiva do Plano Estratégico de Artes e Ciências para aplicar insights e tecnologias quânticas à física, biomédica e ciências da vida, descoberta de medicamentos e outros campos de longo alcance.
Os pesquisadores bombardearam o diamante com átomos de nitrogênio, fazendo com que ele se transformasse. Alguns desses átomos de nitrogênio deslocam átomos de carbono, criando defeitos em um cristal que de outra forma seria perfeito. O vazio resultante é preenchido com elétrons com spin e magnetismo, cujas propriedades quânticas podem ser medidas e manipuladas para uma ampla gama de aplicações.
Como Zu e a sua equipa revelaram anteriormente através do seu trabalho com boro, tais defeitos têm potencial para serem utilizados como sensores quânticos que respondem ao ambiente que os rodeia e uns aos outros. No novo estudo, os pesquisadores se concentraram em outra possibilidade: usar cristais imperfeitos para estudar o mundo quântico incrivelmente complexo.
Os computadores clássicos, incluindo os supercomputadores mais avançados, não são suficientes para simular sistemas quânticos, mesmo aqueles com apenas uma dúzia de partículas quânticas. Isto ocorre porque as dimensões do espaço quântico crescem exponencialmente com cada partícula adicional. Mas novas pesquisas mostram que é possível simular diretamente dinâmicas quânticas complexas usando sistemas quânticos controláveis. "Projetamos cuidadosamente nosso sistema quântico, criamos uma simulação e a deixamos rodar. Finalmente, observamos os resultados. Este é um problema quase impossível de resolver usando um computador clássico", disse Zu.
O progresso da equipe nesta área ajudará a investigar alguns dos aspectos mais interessantes da física quântica de muitos corpos, incluindo a realização de novos estágios da matéria e a previsão de fenômenos emergentes em sistemas quânticos complexos.
No último estudo, Zu e sua equipe conseguiram manter seu sistema estável por até 10 milissegundos, muito tempo no mundo quântico. Notavelmente, seu sistema de diamante opera em temperatura ambiente, ao contrário de outros sistemas de simulação quântica que operam em temperaturas ultrafrias.
Uma das chaves para manter os sistemas quânticos intactos é evitar a termalização, que ocorre quando um sistema absorve tanta energia que todos os defeitos perdem sua assinatura quântica única e acabam parecendo exatamente iguais. A equipe descobriu que poderia atrasar esse resultado acionando o sistema rápido demais para absorver energia. Isso coloca o sistema em um estado de “aquecimento” relativamente estável.
Este novo sistema baseado em diamante permite aos físicos estudar as interações de múltiplas regiões quânticas simultaneamente. Também abre a possibilidade de criação de sensores quânticos cada vez mais sensíveis. “Quanto mais tempo existe um sistema quântico, maior se torna sua sensibilidade”, disse Zu.
Zu e sua equipe estão atualmente colaborando com outros cientistas da UW no Quantum Leap Center para obter novos insights em todas as disciplinas. Em Artes e Ciências, Zu está trabalhando com Erik Henriksen, professor associado de física, para melhorar o desempenho do sensor. Ele também planeja usá-los para compreender melhor os materiais quânticos criados no laboratório de Sheng Ran, professor assistente de física. Ele também está trabalhando com Philip Skemer, professor de ciências da Terra, ambientais e planetárias, para observar campos magnéticos em amostras de rochas em nível atômico, e com Shankar Mukherji, professor assistente de física, para criar imagens da termodinâmica em células biológicas vivas.