5243: Computador quântico resolve problema 3 milhões de vezes mais rápido do que um computador clássico

CIÊNCIA/TECNOLOGIA/MECÂNICA QUÂNTICA

(CC0/PD) TheDigitalArtist / pixabay

Uma equipa de cientistas da empresa de computação quântica D-Wave demonstrou que consegue simular alguns materiais até três milhões de vezes mais rápido do que com os métodos clássicos.

Os cientistas, com a ajuda de investigadores da Google, mediram a velocidade da simulação num dos processadores de “recozimento quântico” e descobriram que o desempenho aumentava mediante o tamanho da simulação e a dificuldade do problema, para atingir um aumento de milhões de vezes em relação ao que poderia ser alcançado com uma CPU clássica.

Segundo o ZDNet, o problema utilizado nesta experiência foi resolvido pelos vencedores do Prémio Nobel de Física de 2016 – Vadim Berezinskii, J. Michael Kosterlitz e David Thouless, que estudaram o comportamento do chamado “magnetismo exótico”, que ocorre em sistemas magnéticos quânticos.

Na década de 1970, os prémio Nobel usaram métodos matemáticos avançados para descrever as propriedades de um íman quântico bidimensional, que fornecia dados sobre os estados “exóticos” que a matéria pode assumir.

Esta investigação não prova a supremacia quântica, mas demonstra que os processadores de “recozimento quântico” da empresa podem proporcionar a uma vantagem de desempenho computacional. “Este trabalho é a prova de que os efeitos quânticos fornecem uma vantagem computacional nos processadores D-Wave”, resumiu Andrew King.

O portal explica que os processadores da D-Wave são baseados na tecnologia de “recozimento quântico“, uma técnica de computação quântica usada para encontrar soluções para problemas de optimização. Estes processadores são mais fáceis de controlar e de operar do que os equivalentes baseados em portas.

Esta equipa usou o sistema D-Wave de 2.000 qubit para simular o magnetismo exótico. O sistema foi recentemente optimizado para reduzir o ruído e para modelar um sistema magnético quântico programável, tal como Berezinskii, Kosterlitz e Thouless fizeram na década de 1970.

Os cientistas programaram também um algoritmo clássico padrão para este tipo de simulação – chamado de “path-integral Monte Carlo” (PIMC) -, para comparar os resultados quânticos com os cálculos executados pela CPU.

Os resultados mostraram que a simulação quântica superou os métodos clássicos. O artigo científico foi publicado no dia 18 de Fevereiro na Nature Communications.

“A demonstração bem-sucedida de tais fenómenos complexos é, por si só, mais uma prova da programabilidade e flexibilidade do computador quântico da D-Wave”, reagiu o CEO da empresa, Alan Baratz. “Mais importante é o facto de tal não ter sido demonstrado num problema sintético ou ‘truque’. Foi alcançado num problema real da física – uma demonstração do valor prático do processador D-Wave.”

Por Liliana Malainho
3 Março, 2021


5210: A física quântica pode causar mutações no nosso ADN

CIÊNCIA/FÍSICA QUÂNTICA/GENÉTICA

geralt / Pixabay

Simulações de computador e métodos de mecânica quântica têm sido usados ​​para determinar o papel que o tunelamento de protões, um fenómeno puramente quântico, desempenha nas mutações espontâneas no ADN.

A biologia quântica é um campo emergente da ciência, estabelecido na década de 1920, que analisa se o mundo subatómico da mecânica quântica desempenha um papel nas células vivas. Já a mecânica quântica é um campo interdisciplinar por natureza, reunindo físicos nucleares, bioquímicos e biólogos moleculares.

Uma equipa de investigadores do Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Center, da Universidade de Surrey, no Reino Unido, usou simulações de computador de última geração e métodos de mecânica quântica para determinar o papel do tunelamento de protões, um fenómeno puramente quântico, nas mutações espontâneas do ADN. 

O tunelamento de protões envolve o desaparecimento espontâneo de um protão de um local e o reaparecimento do mesmo protão nas proximidades.

A equipa de investigadores descobriu que os átomos de hidrogénio, que são muito leves, fornecem as ligações que mantêm as duas fitas da dupla hélice do ADN juntas e podem, sob certas condições, comportar-se como ondas espalhadas que podem existir em vários locais ao mesmo tempo, graças ao tunelamento de protões. Isso faz com que esses átomos sejam ocasionalmente encontrados na fita errada de ADN, levando a mutações.

Embora a vida dessas mutações seja curta, os cientistas revelaram que conseguem sobreviver ao mecanismo de replicação do ADN dentro das células e podem ter consequências para a saúde.

“Muitos suspeitam há muito tempo que o mundo quântico – que é estranho, contra-intuitivo e maravilhoso – desempenha um papel na vida como a conhecemos. Embora a ideia de que algo pode estar presente em dois lugares ao mesmo tempo possa ser absurda para muitos de nós, isso acontece a toda a hora no mundo quântico, e o nosso estudo confirma que o tunelamento quântico também acontece no ADN em temperatura ambiente, disse Marco Sacchi, da Royal Society University Research Fellowship da Universidade de Surrey, em comunicado.

Segundo Louie Slocombe, estudante de doutoramento no Leverhulme Quantum Biology Doctoral Training Centre, a equipa pretende, no futuro, “investigar como os tautómeros produzidos por tunelamento quântico se conseguem propagar e gerar mutações genéticas”.

Para já, “ainda há um longo e emocionante caminho pela frente para entender como os processos biológicos funcionam no nível subatómico”, rematou.

Este estudo foi publicado em Janeiro na revista científica Physical Chemistry Chemical Physics.

Por Maria Campos
26 Fevereiro, 2021


4640: A gravidade pode ser explicada sem a Teoria das Cordas

CIÊNCIA/FÍSICA/MECÂNICA QUÂNTICA

Kjordand / Wikimedia

Uma equipa de físicos demonstrou que, sem recorrer à Teoria das Cordas, é possível explicar a gravidade, usando a mecânica quântica.

A maioria dos físicos concordou, durante várias décadas, com a ideia de que a Teoria das Cordas é o elo perdido entre a Teoria da Relatividade Geral de Einstein, que descreve as leis da natureza em maior escala, e a mecânica quântica, que os descreve em menor escala.

Agora, uma equipa de físicos da Radboud University, nos Países Baixos, sugere que a Teoria das Cordas não é a única teoria capaz de formar essa ligação. Afinal, é possível construir uma Teoria da Gravidade Quântica que obedeça a todas as leis fundamentais da física, sem cordas. O artigo científico foi publicado na Physical Review Letters.

Embora a Teoria da Relatividade Geral e a mecânica quântica tenham permitido explicar todos os fenómenos físicos fundamentais observados, a verdade é que as teorias se contradizem. Segundo o IFL Science, os físicos têm muitas dificuldades em conciliar as duas teorias para explicar a gravidade nas escalas maior e menor.

De acordo com a Teoria das Cordas, tudo à nossa volta não é feito de partículas pontuais, mas sim de cordas: objectos uni-dimensionais que vibram. A teoria tem sido o arcabouço teórico mais difundido para completar a Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

No entanto, a equipa da universidade holandesa mostrou que a Teoria das Cordas não é a única maneira de o fazer: “Provamos que ainda é possível explicar a gravidade usando a mecânica quântica sem usar as leis da Teoria das Cordas”, explicou o físico teórico Frank Saueressig.

No fundo, a ideia de que tudo consiste em partículas pontuais “poderia caber com a gravidade quântica, sem incluir cordas”, disse Saueressig. Esta teoria alternativa é atraente para os cientistas “porque é extremamente difícil conectar a Teoria das Cordas com experiências”.

“A nossa ideia usa princípios físicos que já foram testados experimentalmente. Por outras palavras, ninguém observou cordas em experiências, mas as pessoas vêem partículas nas experiências levadas a cabo no Large Hadron Collider (LHC) do CERN. Isso permite-nos preencher a lacuna”, acrescentou.

No futuro, a equipa vai aplicar a nova teoria aos buracos negros, numa tentativa de entender as suas implicações para estes enigmas cósmicos.

ZAP //

Por ZAP
12 Novembro, 2020


4145: Metais estranhos. Novo estado da matéria partilha semelhanças com buracos negros

CIÊNCIA/FÍSICA

ESO/WFI, MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al., NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.

Os “metais estranhos” exibem algumas propriedades condutivas incomuns que, surpreendentemente, têm semelhanças com buracos negros.

Os “metais estranhos” são materiais cuja resistência eléctrica exibe um comportamento de temperatura muito incomum. De acordo com um novo estudo, publicado recentemente na Proceedings of the National Academy of Sciences, estes metais podem ser um novo e bizarro estado da matéria, com propriedades semelhantes às dos buracos negros.

De acordo com o New Atlas, na mecânica quântica, a resistência eléctrica é um subproduto de electrões que colidem com outras partículas. Nos metais, à medida que os electrões fluem, chocam com outros electrões ou impurezas no material. Quanto mais tempo houver entre cada colisão, menor será a resistência eléctrica.

Em metais comuns, a resistência eléctrica aumenta de acordo com a temperatura. Os super-condutores permitem que a corrente eléctrica flua quase sem resistência – mas apenas abaixo de uma certa temperatura. Muitos materiais precisam de descer ao zero quase absoluto, enquanto alguns mantêm as propriedades super-condutoras até sob temperaturas mais altas.

No entanto, os electrões mais “estranhos” dissipam energia muito rapidamente. Em muitos super-condutores de alta temperatura, alterar a temperatura ou o número de electrões de fluxo livre no material pode alterá-lo de um estado supercondutor para um estado de metal estranho, ou vice-versa.

Neste tipo de materiais, a resistência eléctrica é proporcional à temperatura e às constantes de Planck e Boltzmann – as mesmas características que definem algumas das propriedades dos buracos negros.

“Encontrar essa mesma escala em todos estes sistemas diferentes é fascinante”, comentou Olivier Parcollet, cientista do Centro de Física Quântica Computacional do Instituto Flatiron e co-autor do artigo científico.

Este estudo determina, então, que os metais estranhos são um novo estado da matéria, que fica entre duas fases conhecidas: os espelhos giratórios isolantes de Mott e os líquidos Fermi.

“Descobrimos que existe uma região inteira no Espaço que exibe um comportamento planckiano que não pertence a nenhuma das duas fases”, explicou o professor de Física da Cornell, Eun-Ah Kim. “Este estado líquido de rotação quântica é metálico, mas relutantemente metálico“, acrescentou.

ZAP //

Por ZAP
11 Agosto, 2020

 

 

1775: O tunelamento quântico é tão rápido que pode mesmo ser instantâneo

(dr) Griffith University

Entre as várias características da mecânica quântica encontramos o fenómeno conhecido como tunelamento quântico, em que uma partícula subatómica supera uma barreira que seria intransponível em outros tipos de física. Esse fenómeno é tão rápido que pode ser instantâneo.

Um objecto a passar por uma parede sólida é uma das analogias que os estudantes de física ouvem nas aulas para aprenderem como funciona este fenómeno da mecânica quântica. No entanto, o tempo que esse processo leva até ser concluído sempre foi um mistério.

Um estudo recente, publicado na revista científica Nature, estabeleceu um limite superior no tempo, tão curto que o processo poderia até ser instantâneo – e, nesse caso, as partículas excederiam a velocidade da luz.

O tunelamento acontece tão rápido que é muito difícil medir a sua duração. Para tentar desvendar esse mistério, investigadores usaram recentemente átomos mais pesados para realizar medições confiáveis e chegar, finalmente, a uma conclusão esclarecedora.

Igor Litvinyuk, da Universidade Griffith, na Austrália, explicou que a instalação australiana Attosecond Science Facility é o único lugar no mundo com os três tipos de equipamentos necessários para medir o tempo que os electrões demoram desde o encolhimento dos átomos de hidrogénio.

Após a experiência, o cientista reuniu dados para assegurar que o processo não demora mais do que 1,8 attosegundos – sendo que um attosegundo é 10-18.

“É difícil avaliar o quão curto este tempo é, mas é preciso um electrão de cerca de 100 attosegundos para orbitar um núcleo num átomo”, explicou o co-autor do artigo científico, Robert Sang.

O tempo de tunelamento estabelece um limite para a velocidade com que os transístores poderiam, teoricamente, mudar. Por outras palavras, ter um tempo tão curto torna os computadores ultra-rápidos mais realistas.

O valor de Litvinyuk e Sang é um tecto, e os cientistas estão abertos à possibilidade de o tunelamento ser instantâneo. Se assim for, o electrão estaria a viajar uma distância em tempo zero, excedendo a velocidade da luz. A equipa não põe de lado essa hipótese, uma vez que “isto é a física quântica” e o impossível pode mesmo acontecer.

Apesar de o trabalho de Litvinyuk não colocar grandes distorções à teoria da relatividade, este novo estudo pode ter muito para nos ensinar sobre física quântica.

ZAP //

Por ZAP
29 Março, 2019

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686: Os buracos negros podem ser dois wormholes que colidiram

 

Embora este tema já tivesse sido publicado AQUI, penso que este é mais completo, por isso a sua repetição.

(dr) The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project

Quando dois wormholes colidem, são criadas ondulações no espaço-tempo. Esses ecos gravitacionais poderiam ser detectados por instrumentos futuros, fornecendo evidências de que essa hipotética colisão através do espaço-tempo existe mesmo.

O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (LIGO) detectou recentemente ondulações no espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, uma descoberta que valeu aos cientistas o Prémio Nobel da Física em 2017. Essas ondas são provenientes da fusão de buracos negros, acreditam os especialistas.

No entanto, embora essa detecção sustente a existência de buracos negros, esses objectos apresentam ainda muitos problemas teóricos. Um deles relaciona-se com o facto de parecerem inconsistentes com as leis da mecânica quântica.

Uma das principais características dos buracos negros é o seu horizonte de eventos, uma região do espaço-tempo além da qual nada pode escapar – nem mesmo a luz. Aliás, é por este motivo que se atirarmos algum objecto para um buraco negro, esse objecto desaparece.

Stephen Hawking descobriu que, graças ao tunelamento quântico, os buracos negros podem na verdade produzir um pouco de radiação, algo que ficou conhecido como “radiação Hawking“. Contudo, o que sai do buraco negro é completamente aleatório, isto é, não contém nenhuma pista sobre o que entrou nele anteriormente.

A mecânica quântica funciona de uma forma muito pragmática: se sabemos tudo sobre um sistema particular, devemos também ser capazes de descrever o seu passado e o seu futuro. Assim, um horizonte de eventos do qual nada sabemos não combina com a mecânica quântica.

Para resolver este paradoxo, alguns físicos sugeriram que os horizontes de eventos não existem. Em vez de abismos dos quais nada retorna, os buracos negros podem ser objectos especulativos que não têm horizontes de eventos, como as estrelas de bósons ou os wormholes.

Sai buraco negro, entra wormhole

No recente estudo, publicado na revista científica Physical Review D, físicos belgas e espanhóis levantaram a hipótese de que se dois wormholes colidissem, produziriam ondas gravitacionais muito semelhantes às que são geradas pela fusão de buracos negros.

A única diferença seria na última fase da fusão, chamada de ringdown, quando o buraco negro ou os wormholes recém-combinados relaxam no seu estado final. Como os wormholes não têm horizontes de eventos, as ondas gravitacionais poderiam ser recuperadas, produzindo um eco durante o ringdown.

“O interior do objecto é uma espécie de cavidade onde as ondas gravitacionais são reflectidas. A produção de ecos gravitacionais não é muito diferente de ecos sonoros num vale, por exemplo”, explicaram os investigadores ao Live Science.

O problema é que, como a força do sinal cai durante o ringdown, torna-se muito fraco para a configuração atual do LIGO conseguir detectar. No entanto, este panorama pode mudar no futuro, uma vez que os cientistas continuam a actualizar-se, ajustando o instrumento.

A verdade é que, actualmente, os wormholes são menos um facto científico e mais ficção científica. Aliás, eles são comummente descritos em filmes e livros como uma espécie de “estrada intergaláctica“.

No entanto, para que se possa atravessar os wormholes, precisaríamos de alguma matéria exótica desconhecida de forma a mantê-los abertos. Por esse motivo é que se mantêm hipotéticos, pelo menos para já. Além disso, as repercussões de uma detecção de ecos gravitacionais potencialmente provenientes de wormholes seriam dramáticas para a física.

Mas os cientistas mantêm a mente aberta e acreditam que vale a pena explorar essa possibilidade. “Está na altura de levar a sério a possibilidade de existirem outros objectos que podem ser tão maciços e compactos quanto os buracos negros”, afirma o físico português Vitor Cardoso, que já estudou wormholes.

ZAP // HypeScience

Por ZAP
24 Junho, 2018

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