2201: Cientistas descobrem uma família de partículas imortais

CIÊNCIA

K. Verresen / TUM
As interações quânticas fortes impedem que estas estranhas partículas decaiam

Desafiando as leis que regem o universo da Física, uma equipa de cientistas acaba de descobrir uma família de partículas (quasipartículas) que, em sistemas quânticos, é capaz de se desintegrar e voltar a renascer numa série de ciclos sem fim – na prática, tratam-se de partículas imortais. 

De acordo com as leis da Física, em particular a segunda lei da termodinâmica, toda actividade ou processo aumenta a entropia de um sistema, isto é, a desordem molecular. O envelhecimento e o facto de um copo de vidro não voltar ao normal depois de partido são alguns dos exemplos deste fenómeno.

Agora, uma equipa de cientistas da Universidade Técnica de Munique (TUM), na Alemanha, descobriu uma excepção à norma universal: as regras tidas como impossível no mundo tal como o conhecemos, são possíveis na esfera microscópica.

“Até agora acreditava-se que as quasipartículas em sistemas quânticos interactivos decaíam depois de um determinado tempo, mas agora sabemos que este não é o caso: as interacções fortes pode inclusivamente para deter por completo a descomposição”, explicou Frank Pollmann, autor do estudo e professor na TUM, citado em comunicado.

De acordo com a nova investigação, cujos resultados foram esta semana publicados na revista científica Nature Physics, estas estranhas partículas podem decair e voltar a organizar-se, tornando-se virtualmente imortais.

Descritas pela primeira vez pelo Nobel da Física Lev Davidovich Landau, as quasipartículas representam um estado de “excitação colectiva” de várias partículas que ocorre no interior de corpos sólidos. Devido à interacção magnética ou eléctrica, o conjunto de partículas passa a comportar-se como se se tratasse de uma só. Os fotões são exemplos de quasipartículas.

“Até então não sabíamos detalhadamente quais os processos que influenciavam o destino destas quasipartículas nos sistemas interactivos, mas agora temos métodos numéricos com os quais podemos calcular interacções complexas e computadores com um desempenho alto o suficiente para resolver estas equações, sustentou Pollmann.

Recorrendo a estas tecnologias, a equipa realizou uma série de simulações complexas para perceber o comportamentos destas partículas. “É verdade que [as quasipartículas] se desintegram, mas novas entidades de partículas idênticas emergem dos seus escombros”, afirmou Ruben Verresen, autor principal do estudo, explicando o mecanismo pelo qual estas partículas voltam à “vida”.

“Se o decaimento ocorre muito rapidamente, após um certo período de tempo dá-se uma reacção inversa e os detritos convergem novamente. Este processo pode ser repetido indefinidamente, como uma oscilação sustentada no tempo entre a decadência e o renascimento”, argumentou o especialista.

Do ponto de vista da Física, pode ler-se na mesma nota da universidade, a oscilação em causa é uma onda que é depois transformada em matéria que, de acordo com a dualidade onda-partícula prevista na mecânica quântica, é possível. Por isso, concluem os cientistas, as imortais quasipartículas não transgridem a segunda lei da termodinâmica: a sua entropia permanece constante, a decadência foi interrompida.

“O nosso trabalho é pura investigação básica“, acrescentou Pollmann, dando conta que no futuro “é perfeitamente possível” que algum destes resultados possam ser aplicados, por exemplo, na construção de memórias de dados de longo prazo para futuros computadores quânticos.

SA, ZAP //

Por SA
19 Junho, 2019

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1266: Estamos cada vez mais próximos do tele-transporte quântico complexo

CIÊNCIA

(CC0/PD) insspirito / pixabay

Uma equipa de cientistas austríacos desenvolveu novos métodos para aperfeiçoar o domínio experimental de sistemas quânticos complexos – fundamentais para o futuro de tecnologias como computadores quânticos e criptografia quântica, e que poderão permitir o  tele-transporte de sistemas quânticos complexos.

Nos últimos anos, grandes empresas como a Google e a IBM têm competido com institutos de investigação em todo o mundo para produzir bits quânticos entrelaçados – que, tal como os bits normais nos computadores convencionais, são a menor unidade de informação em sistemas quânticos – em quantidades cada vez maiores. O objectivo: desenvolver um computador quântico funcional.

De acordo com um novo estudo, publicado a 29 de Outubro na revista Nature, físicos da Universidade de Viena e da Academia de Ciência da Áustria propuseram-se a usar sistemas quânticos mais complexos do que os bits quânticos entrelaçados bidimensionais para aumentar a capacidade de informação transmitida com o mesmo número de partículas.

Para aumentar esta capacidade, a nova investigação concentrou-se na sua complexidade, em vez de aumentar apenas o número de partículas envolvidas.

“A diferença na nossa experiência é que, pela primeira vez, envolve três fotões além da natureza bidimensional convencional”, explicou o principal autor do estudo, Manuel Erhard.

A equipa de cientistas usou sistemas quânticos com mais de dois estados possíveis – neste caso particular, o momento angular de partículas de luz individuais. Estes fotões individuais têm uma capacidade de informação mais alta que os bits quânticos.

O entrelaçamento dessas partículas, contudo, mostrou-se difícil ao nível conceptual. Mas os investigadores superaram o desafio utilizando um algoritmo de computador, chamado Melvin, que procura uma implementação experimental. Desta forma, determinaram a melhor configuração experimental para produzir o entrelaçamento.

Depois de algumas simplificações na configuração experimental, os físicos ainda enfrentaram grandes desafios tecnológicos. Para resolvê-los, usaram tecnologia laser de última geração e uma multi-porta especialmente desenvolvida. “Esta multi-porta é o coração da nossa experiência e combina os três fotões para que eles sejam entrelaçados em três dimensões”, explicou Erhard.

Tele-transporte: chineses conseguem “efeito fantasmagórico” do espaço para a Terra

Físicos da Universidade de Ciência e Tecnologia da China conseguiram realizar com sucesso uma experiência de tele-transporte quântico entre o…

337: Inteligência artificial reconstrói os mistérios de sistemas quânticos

(CC0/PD) Comfreak / pixabay

Duas das áreas mais empolgantes da ciência estão se a unir para se ajudarem mutuamente. Os cientistas querem usar a inteligência artificial que conduz automóveis autónomos para explorar as complexidades do mundo quântico.

A inteligência artificial vai ajudar os cientistas a explorarem as complexidades do mundo quântico. Por outro lado, um algoritmo quântico pode contribuir para que a inteligência artificial dê um salto de qualidade e se torne ainda mais poderosa do que já é.

Os físicos demonstraram que a aprendizagem da máquina pode reconstruir um sistema quântico com base em relativamente poucas medidas experimentais. Este método permitirá que cientistas avaliem completamente sistemas de partículas de forma muito mais rápida do que as técnicas convencionais usadas actualmente.

De forma muito mais rápida mesmo: sistemas complexos que exigiriam milhares de anos para ser reconstruidos com métodos anteriores poderiam ser analisados ​​inteiramente numa questão de horas.

O desenvolvimento de computadores quânticos e outras aplicações da mecânica quântica seriam beneficiados pela nova técnica. “Mostramos que a inteligência da máquina pode capturar a essência de um sistema quântico de forma compacta”, diz o co-autor do estudo, Giuseppe Carleo, cientista de pesquisa do Centro de Computação de Física Quântica do Instituto Flatiron, na cidade de Nova Iorque.

O estudo foi publicado na segunda-feira na revista Nature Physics.

A inspiração dos investigadores foi o AlphaGo, programa de computador que usou a aprendizagem da máquina para superar o campeão mundial do jogo de tabuleiro chinês Go em 2016. “O AlphaGo foi realmente impressionante, então começamos a perguntar-nos como poderíamos usar essas ideias na física quântica“, diz Carleo.

Sistemas de partículas, como electrões, podem existir em muitas configurações diferentes, cada uma com uma probabilidade particular de ocorrência. No reino quântico, os sistemas não observados não existem com qualquer uma dessas configurações.

Em vez disso, o sistema pode ser pensado como existindo com todas as configurações possíveis simultaneamente. Cada electrão, por exemplo, pode ter uma rotação para cima ou para baixo, semelhante ao famoso gato de Schrödinger, morto e vivo ao mesmo tempo até ser observado.

Quando medido, o sistema colapsa e chega a uma das configurações, assim como o gato de Schrödinger, que está morto ou vivo depois de a caixa ser aberta. Essa peculiaridade da mecânica quântica significa que nunca se pode observar toda a complexidade de um sistema numa única experiência. Em vez disso, os cientistas conduzem as mesmas medidas várias vezes até poderem determinar o estado de todo o sistema.

Esse método funciona bem para sistemas simples, com apenas algumas partículas. Mas quando estão envolvidas muitas partículas, as coisas começam a complicar-se. Se considerarmos que cada electrão pode ser girado para cima ou para baixo, um sistema de cinco electrões possui 32 configurações possíveis. Um sistema de 100 electrões tem biliões de possibilidades.

O emaranhamento das partículas complica ainda mais. Através do emaranhamento quântico, partículas independentes entrelaçam-se e deixam de poder ser tratadas como entidades puramente separadas, mesmo quando separadas fisicamente. Este emaranhamento altera a probabilidade de configurações diferentes. Métodos convencionais, portanto, simplesmente não são viáveis ​​para sistemas quânticos complexos.

Carleo e os seus colegas contornaram essas limitações usando técnicas de aprendizagem de máquina.

Os cientistas colocaram medidas experimentais de um sistema quântico numa ferramenta de software baseada em redes neurais artificiais. O software aprende ao longo do tempo e tenta imitar o comportamento do sistema. Uma vez que o software tem dados suficientes, pode reconstruir com precisão o sistema quântico completo.

Os investigadores testaram o software usando conjuntos de dados experimentais simulados com base em diferentes sistemas quânticos. Nestes testes, o software ultrapassou os métodos convencionais. Para oito electrões, cada um com giro para cima ou para baixo, o software poderia reconstruir com precisão o sistema com apenas cerca de 100 medidas contra os quase 1 milhão de medidas que o método convencional exigiria para atingir o mesmo nível de precisão.

A nova técnica também pode lidar com sistemas muito maiores. Por sua vez, essa habilidade pode ajudar os cientistas a validar se um computador quântico está configurado correctamente e que qualquer software quântico funcionaria como pretendido.

Capturar a essência de sistemas quânticos complexos com redes neurais artificiais compactas tem outras consequências de longo alcance.

O coordenador do Centro para Cálculo Computacional de Química Quântica, Andrew Millis, observa que estas ideias fornecem uma nova abordagem importante para o desenvolvimento contínuo de novos métodos para entender o comportamento dos sistemas quânticos interactivos e se conectar com o trabalho noutras abordagens de aprendizagem mecânica de inspiração quântica.

Além das aplicações para pesquisas fundamentais, Carleo explica que as lições aprendidas pela equipa ao combinar a aprendizagem de máquinas com ideias da física quântica também poderiam melhorar as aplicações de uso geral de inteligência artificial.

“Poderíamos usar os métodos que desenvolvemos aqui noutros contextos. Um dia, quem sabe, podemos ter um carro autónomo inspirado pela mecânica quântica”, realçou.

Em vez de utilizar a inteligência artificial para melhorar o conhecimento sobre a física quântica, as pesquisas que envolvem estes dois elementos geralmente funcionam no caminho inverso: o da utilização da física quântica para melhorar a inteligência artificial.

A inteligência artificial actual é limitada a estes algoritmos especializados de aprendizagem de máquinas, capazes de realizar tarefas específicas de forma automatizada – como conduzir um carro ou jogar xadrez.

ZAP // Hype Science / Phys.org / Futurism

Por ZAP
2 Março, 2018

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