Artigos de física: XIII. Estados da matéria, vácuo e partículas
Esta página traz resumos em linguagem simples de artigos de física. Não fazemos ligação com Dost nem com outro texto; ler lado a lado é tarefa do próprio leitor.
Experimento: medido. Teoria: calculada ou demonstrada. Interpretação: seu significado é disputado. Os rótulos são nossa própria classificação; um artigo pode ter mais de uma natureza.
Pergunta principal: Por que a matéria pode fluir sem atrito?
Alguns metais perdem totalmente a resistência elétrica em temperaturas muito baixas (supercondutividade); o hélio líquido, abaixo de certa temperatura, flui quase sem atrito interno (superfluidez). Em um escoamento comum, as colisões dissipam energia continuamente; aqui o escoamento não se extingue por si. A pergunta é esta: como uma substância feita de um grande número de partículas, comportando-se como um único estado quântico, adquire essa ‘ausência de atrito’? Os três artigos sobre este tema mostram em conjunto a primeira observação do fenômeno (hélio) e a primeira explicação microscópica para os elétrons (BCS).
Nesta página60. Supercondutividade e superfluidez · Kapitza 1938 — Viscosity of Liquid Heliu · Allen 1938 — Flow of Liquid Helium II …
Kapitza mediu a viscosidade do hélio líquido abaixo do ponto λ e relatou tê-la achado muito pequena; o nome ‘superfluidez’ para o fenômeno é associado a esta nota.
O hélio-4, abaixo de cerca de 2,17 K (o ponto λ), passa a um estado distinto chamado hélio líquido II. Abaixo dessa temperatura, sabia-se que ele se comporta como um líquido que conduz calor de modo incomum e que escoa pelas paredes dos recipientes através de finas rachaduras. A pergunta de Kapitza era simples: qual é, na verdade, a viscosidade desse líquido, isto é, sua resistência interna ao escoamento?
A breve nota na Nature descreve um dispositivo que mede a passagem do líquido por uma fenda muito fina entre duas superfícies planas. A fenda é tão estreita que um fluido comum praticamente não passaria. O hélio II, porém, flui facilmente por essa fenda. A viscosidade medida é muito menor que a do hélio líquido logo acima do ponto λ; Kapitza apresenta isso como um resultado que aponta para um estado muito diferente de qualquer líquido conhecido, e dá a esse estado o nome ‘superfluidez’.
A nota é curta e não propõe teoria; apenas relata a medição e a surpreendente magnitude da medição. A pergunta sobre que tipo de mecanismo é fica em aberto. No mesmo número foi publicado também o experimento independente de Allen e Misener.
Ao ler, convém atentar para isto: a nota usa a palavra ‘viscosidade’ como o nome de uma medição. A pergunta de se a viscosidade é realmente zero ou apenas caiu abaixo de um nível mensurável não é uma pergunta que este breve texto tenta responder. Por isso é adequado ler a nota não como ‘o fluxo sem atrito foi provado’, mas como ‘a viscosidade medida resultou muito menor que o esperado’. Para os detalhes do dispositivo experimental e os limites numéricos é preciso consultar a própria nota; o que se descreve aqui é apenas o quadro.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: No mesmo ano, Tisza e depois Landau propuseram modelos de dois fluidos para o hélio II; uma parte do líquido se comporta sem atrito, outra parte se comporta de modo comum. O fenômeno é relacionado à condensação quântica de Bose, mas, como as interações são fortes no hélio líquido, as duas coisas não são a mesma.
Allen e Misener mediram o escoamento do hélio II por tubos capilares estreitos e mostraram que ele difere do escoamento viscoso usual.
Este breve artigo, que saiu no mesmo número da nota de Kapitza, aborda o mesmo fenômeno com um experimento independente. A pergunta é de novo esta: como o hélio líquido abaixo do ponto λ se comporta ao passar por um tubo estreito?
Os autores passam o líquido por tubos capilares muito finos e medem a vazão. Em um líquido viscoso comum, à medida que o tubo se estreita a vazão cai rapidamente e aumenta em proporção à diferença de pressão. O hélio II, porém, passa com facilidade inesperada mesmo por tubos muito estreitos; a vazão não obedece às leis esperadas para líquidos comuns. Os autores interpretam esse comportamento como a viscosidade do líquido ser muito pequena e o relatam como um achado em conflito com as leis conhecidas do escoamento.
Como o de Kapitza, este artigo não propõe um mecanismo; sua principal contribuição é que o mesmo fenômeno foi medido em dois laboratórios distintos com dois dispositivos distintos. Que duas medições mutuamente independentes apontem na mesma direção reforça a impressão de que o fenômeno não é um artefato de medição.
Sugere-se que estes dois breves artigos sejam lidos juntos: Kapitza trata a viscosidade por meio de uma fenda entre duas superfícies, Allen e Misener, indiretamente, por tubos capilares. O resultado comum dos dois métodos é que o hélio II exibe um comportamento que não obedece às leis conhecidas do escoamento de líquidos. Para valores numéricos detalhados e o projeto do dispositivo é preciso consultar o próprio artigo; o que se dá aqui é apenas o quadro geral, e foi escrito sem ver o texto do artigo.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: Nos anos seguintes, os experimentos que medem o comportamento de escoamento do mesmo líquido se multiplicaram, e o modelo de dois fluidos foi usado para organizar esse comportamento quantitativamente.
Bardeen, Cooper e Schrieffer deram a primeira teoria microscópica da supercondutividade, partindo dos elétrons.
Alguns metais, abaixo de uma temperatura crítica, perdem totalmente a resistência elétrica e expulsam o campo magnético de seu interior. Até 1957, esses fenômenos haviam sido observados, mas não se sabia como os elétrons estabeleciam tal ordem. A pergunta era: como elétrons que se repelem estabelecem um estado coletivo que pode fluir sem atrito?
O ponto de partida da teoria BCS é um resultado que Cooper havia mostrado antes: dois elétrons acima do mar de Fermi podem ser ligados um ao outro por uma atração fraca mediada pelas vibrações da rede (fônons). O artigo mostra que esses ‘pares de Cooper’ formam um estado fundamental coerente em toda a população de elétrons: elétrons de momentos opostos e spins opostos se emparelham, e os pares participam de uma única função de onda quântica. Entre esse estado e a menor energia necessária para quebrar os pares existe uma ‘lacuna de energia’.
A lacuna explica por que a resistência é zero: pequenas excitações não conseguem quebrar os pares, de modo que os elétrons não podem perder energia por atrito. A teoria também prevê a dependência da temperatura crítica em relação à massa isotópica e o comportamento exponencial no calor específico; ambos concordaram com as observações. O artigo constrói a teoria com matemática detalhada e para supercondutores metálicos.
A teoria BCS se apoia na suposição de uma única atração elétron–fônon e descreve bem os supercondutores metálicos, fracamente acoplados. A ideia no centro da teoria é que a ausência de resistência não é uma propriedade de elétrons individuais, mas um estado coletivo de elétrons emparelhados. Por isso há, entre supercondutividade e superfluidez, o mesmo tipo de ideia de coerência coletiva; porém, o hélio-4 consiste em bósons, ao passo que os elétrons em um supercondutor são férmions, e essa diferença explica por que o emparelhamento é necessário. Os detalhes das longas seções matemáticas do artigo não são reproduzidos aqui.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: A temperatura e o comportamento dos supercondutores de óxido de cobre descobertos em 1986 (supercondutores de alta temperatura) não puderam ser explicados pelo quadro simples BCS–fônon; seu mecanismo continua sendo objeto de debate.
61. O efeito Casimir e o vácuo quântico
Pergunta principal: O espaço vazio é realmente vazio?
Na teoria quântica de campos, o estado de menor energia é chamado ‘vácuo’, e mesmo nesse estado os modos do campo eletromagnético têm uma energia de base diferente de zero (energia do ponto zero). O efeito Casimir é duas placas condutoras sem carga, aproximadas uma da outra, atraírem-se tendo entre elas nada além de vácuo. A pergunta é se o vácuo realmente produz consequências mensuráveis. Os três artigos sobre este tema mostram a previsão de 1948 do efeito e depois duas etapas de sua medição.
Proc. K. Ned. Akad. Wet. B51, 793 — referência verificada de segunda mão teoria
Casimir calculou a força de atração entre duas placas paralelas perfeitamente condutoras a partir da energia do ponto zero do vácuo.
Casimir pergunta como duas placas sem carga, perfeitamente condutoras, paralelas entre si, se comportam no espaço vazio. Na eletrodinâmica clássica, nenhuma força é esperada entre elas. Casimir, porém, conta os modos permitidos do campo eletromagnético entre as placas: as condições de contorno do campo nas superfícies condutoras permitem que apenas certos comprimentos de onda caibam entre as placas. Do lado de fora não há tal restrição.
Cada modo, segundo a teoria quântica, carrega uma energia do ponto zero de pelo menos ½ħω. A soma de todos os modos é infinita; mas a diferença entre o interior entre as placas e o exterior é finita e depende da separação das placas. O resultado é uma força de atração por unidade de área de cerca de π²ħc/(240 d⁴); aqui d é a separação das placas, ħ é a constante de Planck reduzida e c é a velocidade da luz. Ou seja, a força é inversamente proporcional à quarta potência da separação e depende apenas de constantes fundamentais e da geometria.
Este artigo é um cálculo curto; embora proponha um experimento, não realiza a medição. As suposições em que o cálculo se apoia (condutividade perfeita, temperatura zero, superfícies lisas) não são atendidas em materiais reais; esses desvios são tratados em medições posteriores como correções.
Um ponto importante é que o resultado finito na fórmula sai da diferença de somas infinitas. Essa diferença dá apenas a variação da energia com a separação das placas; a energia absoluta do ponto zero ainda é infinita e não pode ser medida por si só. O que se mede é a força que nasce da diferença de energia que depende da separação. As placas usadas em experimentos reais não são condutores perfeitos e a temperatura não é zero; por isso a teoria comparada com as medições é a forma corrigida da fórmula de 1948. Para a dedução detalhada do artigo é preciso consultar o próprio artigo.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: A interpretação do efeito é disputada: alguns autores o ligam diretamente à energia do ponto zero do vácuo, outros dizem que o mesmo resultado também pode ser deduzido como o efeito das cargas do material umas sobre as outras. As medições não separam as duas interpretações, pois ambas preveem a mesma força.
Lamoreaux mediu a força de Casimir com um pêndulo de torção em um intervalo de 0,6–6 μm.
A previsão de Casimir de 1948 não pôde ser testada diretamente por meio século, porque a força só é perceptível em separações de um micrômetro e menos, e nessa escala é muito difícil manter duas superfícies paralelas. A pergunta de Lamoreaux era: essa força de atração realmente existe e é da magnitude prevista?
No experimento, no lugar de uma das placas usa-se uma superfície esférica revestida de ouro, de modo que o problema do paralelismo desaparece. A força entre a esfera e a placa plana é lida a partir da deflexão angular de um pêndulo de torção. A separação é variada entre 0,6 e 6 micrômetros. As forças eletrostáticas são primeiro anuladas por uma medição separada; assim, a atração que resta corresponde à força de Casimir entre superfícies sem carga.
O resultado que o autor relata é que a força medida concorda com a previsão da teoria dentro de uma margem de erro de alguns por cento. A comparação teórica é um cálculo corrigido para a geometria da esfera e para a condutividade imperfeita do ouro.
O uso da geometria esfera–placa no experimento é uma escolha: manter duas placas planas paralelas em separação de micrômetro é muito mais difícil do que aproximar uma esfera de uma placa. Na geometria esfera–placa, a fórmula da força difere da fórmula placa–placa, por isso a comparação é feita com a teoria recalculada para a esfera. A margem de erro detalhada do resultado e os termos de correção estão no artigo; aqui se apresenta um quadro geral escrito sem acesso ao texto.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: O experimento é citado como uma das primeiras medições diretas; seguiram-se medições mais precisas, uma das quais é a medição de Mohideen e Roy com microscópio de força atômica.
Mohideen e Roy mediram a força de Casimir de modo muito mais preciso, com um microscópio de força atômica, em um intervalo de 0,1–0,9 μm.
Este trabalho, realizado alguns anos após a medição de Lamoreaux, visa medir a mesma força em separações muito menores e com menor incerteza. A pergunta: a força de Casimir concorda com a teoria no nível de um por cento quando se levam em conta os efeitos de materiais reais e da temperatura?
Os autores medem, com um microscópio de força atômica, a força entre uma esfera revestida de metal de 196 micrômetros de diâmetro e uma placa plana. A esfera é colada a uma haste (cantilever) presa à ponta do microscópio; ao se aproximar da placa, a haste se dobra e a flexão dá a força. A separação é varrida entre 0,1 e 0,9 micrômetros.
Os resultados são consistentes com cálculos teóricos que incluem correções de condutividade finita, rugosidade da superfície e temperatura. O desvio quadrático médio entre teoria e experimento é de 1,6 pN, o que corresponde a cerca de um por cento na menor separação.
Uma medição com essa precisão transforma a pergunta sobre a existência da força em uma pergunta de detalhe: o que se discute agora é como as correções devem ser calculadas.
A importância da medição é que a margem de erro desceu ao nível de um por cento. Nesse nível, vê-se que a suposição de condutor perfeito da teoria é insuficiente e tornam-se necessárias correções que levem em conta as propriedades ópticas de metais reais. O resumo diz que essas correções (condutividade finita, rugosidade, temperatura) são consistentes com a teoria em conjunto; o artigo dá o detalhe e as tabelas de dados.
Depois: Estudos posteriores repetiram essa medição com geometrias diferentes e materiais diferentes; a questão da interpretação (se a força deve ser lida como energia do ponto zero ou como interação do material) não foi resolvida pela medição.
62. O bóson de Higgs e o Modelo Padrão
Pergunta principal: De onde as partículas tiram a massa?
O Modelo Padrão reúne as partículas fundamentais conhecidas e a maior parte das forças entre elas em um único quadro. Nesse quadro, o fato de que algumas partículas que parecem não ter massa (como os bósons W e Z, que transportam a força fraca) tenham a massa observada levanta um problema. O mecanismo de Higgs diz que isso é possível por meio da ‘quebra espontânea de simetria’ e prevê uma partícula escalar, o bóson de Higgs. Os artigos sobre este tema mostram a proposta desse mecanismo em 1964 e dois experimentos que em 2012 relataram uma nova partícula em torno de 125 GeV.
Higgs mostrou como os bósons de calibre podem adquirir massa por meio da quebra de simetria.
As teorias de calibre derivam as forças de um princípio de simetria; mas nessas teorias os bósons de calibre resultam sem massa. A força fraca tem curto alcance, de modo que seus portadores precisam ser pesados. Outro obstáculo é o teorema de Goldstone: quando uma simetria é espontaneamente quebrada, esperavam-se partículas escalares sem massa, e elas não eram observadas. A pergunta de Higgs é se esse obstáculo pode ser superado.
O artigo de duas páginas mostra que, em um modelo em que uma simetria de calibre é quebrada, o teorema de Goldstone não vale. O modo de Goldstone sem massa se converte em um componente extra do campo de calibre; o bóson de calibre assim adquire massa. O que resta é uma excitação massiva de um campo escalar: o artigo aponta que a presença de um multipleto de campos escalares em multipletos incompletos exige a existência de um bóson escalar massivo.
O artigo dá a ideia básica do mecanismo de forma curta e geral; não é um modelo completo de física de partículas. Sua aplicação ao Modelo Padrão e a solução detalhada da questão da massa foram feitas em outros trabalhos.
A brevidade do artigo também mostra que seu escopo é limitado: ele expõe a ideia da quebra espontânea de simetria de um campo escalar como fonte da massa, mas não responde à pergunta ‘qual é a massa do bóson de Higgs’. A massa é um parâmetro e precisa ser determinada por experimento. Além disso, esse mecanismo explica a massa das partículas fundamentais (os bósons W e Z, os quarks, os léptons carregados); a maior parte da massa do próton vem da energia da interação forte que liga os quarks.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: No mesmo ano, Englert e Brout, e Guralnik, Hagen e Kibble, chegaram a resultados semelhantes de modo independente. O setor de calibre do Modelo Padrão foi construído com essa ideia; a busca pela partícula escalar durou décadas.
Englert e Brout resolveram o mesmo problema de modo independente, com um modelo em que os campos de calibre adquirem massa por quebra espontânea de simetria.
Este artigo foi publicado algumas semanas antes do de Higgs e faz a mesma pergunta: quando uma simetria de calibre é espontaneamente quebrada, os mésons vetoriais podem adquirir massa?
Os autores examinam uma teoria de calibre em que o valor esperado de vácuo de um campo escalar é diferente de zero e calculam as correções quânticas. O resultado é que o campo de calibre adquire massa; a partícula de Goldstone sem massa não aparece como uma partícula física separada.
A abordagem que o artigo adota é apresentada em uma linguagem diferente da de Higgs (por meio do cálculo perturbativo da teoria de campos), e a ênfase no ‘bóson escalar massivo remanescente’, explicitamente destacada no artigo de Higgs, não aparece aqui da mesma forma. Os dois artigos são duas apresentações independentes do mesmo mecanismo.
Este artigo e o de Higgs podem ser lidos como duas escritas da mesma ideia. A diferença entre os dois está em suas ênfases e nas ferramentas que usam. A questão de qual mostrou primeiro qual detalhe é assunto da historiografia e não é decidida aqui. Para os cálculos completos do artigo é preciso consultar o próprio artigo; este resumo foi escrito sem acesso ao texto.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: Por isso o mecanismo é por vezes referido por mais de um nome (Brout–Englert–Higgs, Guralnik–Hagen–Kibble). O Prêmio Nobel de Física de 2013 foi dado a Englert e Higgs.
Phys. Lett. B 716, 1 (ATLAS Collaboration) experimento
A colaboração ATLAS relatou um novo bóson em torno de 126 GeV no LHC.
A última peça não testada do Modelo Padrão era o bóson de Higgs. A pergunta do ATLAS é se existe, nas colisões próton–próton no LHC, um excesso compatível com essa partícula.
A análise usa cerca de 4,8 fb⁻¹ de dados coletados em 2011 a 7 TeV e cerca de 5,8 fb⁻¹ coletados em 2012 a 8 TeV. Três canais de decaimento são examinados em detalhe: H→ZZ*→4 léptons, H→γγ e H→WW→eνμν; estes são combinados com buscas anteriores a 7 TeV.
O resultado relatado é uma evidência clara da produção de um bóson neutro com massa medida de 126,0 ± 0,4 (estatístico) ± 0,4 (sistemático) GeV. A significância da observação é de 5,9 desvios-padrão; isto é, a probabilidade de ela surgir de uma flutuação do fundo é de cerca de 1,7 × 10⁻⁹. Os autores dizem que isso é compatível com a produção e o decaimento do bóson de Higgs do Modelo Padrão. A medição detalhada das propriedades (spin, acoplamentos) está fora do escopo deste artigo.
Aqui a expressão ‘nova partícula’ é deliberadamente cautelosa: o título diz que uma nova partícula foi observada na busca pelo bóson de Higgs do Modelo Padrão, mas se é exatamente o bóson de Higgs previsto pelo Modelo Padrão precisa ser determinado por medições posteriores. O artigo diz ‘compatível’; não diz idêntico. Uma significância acima de 5 desvios-padrão é o limiar comumente usado na física de partículas para anunciar uma descoberta. A incerteza sistemática da massa e a incerteza estatística são da mesma magnitude.
Depois: O CMS relatou um resultado semelhante com uma análise independente no mesmo período; as propriedades da partícula foram examinadas com medições posteriores.
Phys. Lett. B 716, 30 (CMS Collaboration) experimento
A colaboração CMS relatou, de forma independente e no mesmo período, um novo bóson em torno de 125 GeV.
O CMS, o segundo experimento a fazer a mesma pergunta que o ATLAS, trabalha com o detector Compact Muon Solenoid no LHC. Seus dados são de cerca de 5,1 fb⁻¹ a 7 TeV e cerca de 5,3 fb⁻¹ a 8 TeV.
A busca é feita em cinco modos de decaimento: γγ, ZZ, WW, ττ e bb̄. Acima do fundo esperado, encontra-se um excesso em torno de 125 GeV. A significância local é de 5,0 desvios-padrão; a significância esperada para o bóson de Higgs do Modelo Padrão é 5,8. O excesso é visto de modo mais nítido nos dois modos de melhor resolução em massa (γγ e ZZ); desses modos a massa resulta 125,3 ± 0,4 (estatístico) ± 0,5 (sistemático) GeV. O decaimento no modo de dois fótons mostra que o spin da partícula é diferente de 1.
Os autores relatam o achado como um sinal que aponta para a existência de uma nova partícula; este artigo não tem medições detalhadas de acoplamentos.
ATLAS e CMS são dois detectores distintos; trabalham com equipes distintas, com cadeias de software e de análise distintas. Que relatem um excesso na mesma região, na mesma direção, mostra o valor dessa separação. Os valores de massa (126,0 e 125,3 GeV) são consistentes dentro de suas incertezas. O resumo do CMS relata o resultado como ‘um sinal que aponta para a existência de uma nova partícula’; deixa sua identidade com o bóson de Higgs do Modelo Padrão para medições mais detalhadas.
Depois: Os resultados do ATLAS e do CMS foram interpretados em conjunto; experimentos posteriores mediram as propriedades de spin e de acoplamento da partícula e as compararam com a expectativa do Modelo Padrão.
63. Simulação quântica
Pergunta principal: Imitar a natureza exige um computador que funcione como a própria natureza?
Calcular em um computador comum um sistema quântico composto de muitas partículas exige memória e tempo que crescem exponencialmente com o número de partículas. A simulação quântica propõe fazer esse trabalho com um sistema quântico (com um dispositivo montado de modo a imitar outro sistema quântico). A pergunta é se isso é realmente necessário e possível. Os artigos sobre este tema mostram a proposta de Feynman de 1982, sua confirmação matemática e um experimento realizado com átomos ultrafrios.
Feynman argumentou que os computadores clássicos não poderiam simular eficientemente sistemas quânticos e propôs um computador feito de elementos quânticos.
A pergunta de Feynman é o que significa simular a física com um computador e a que limites isso está sujeito. Ele discute que isso é possível para sistemas clássicos e probabilísticos; a dificuldade começa com os sistemas quânticos.
Seu raciocínio é este: escrever o estado de um sistema quântico composto de N partículas de dois níveis exige um número de amplitudes complexas que cresce exponencialmente com N. Um computador comum precisa armazenar essas amplitudes uma a uma, de modo que, à medida que N cresce, a computação deixa de ser prática. Feynman também discute que um computador clássico probabilístico não poderia reproduzir resultados quânticos com variáveis ocultas locais (um ponto relacionado a argumentos do tipo Bell).
Como solução, ele lança a ideia de um computador que seja ele próprio composto de elementos quântico-mecânicos: um sistema quântico deve poder imitar outro diretamente. O texto não dá um projeto ou algoritmo funcional; coloca o tema como uma pergunta e um programa. É um artigo derivado de uma palestra, e sua linha de pensamento permanece intuitiva.
A linguagem do artigo é menos a de um artigo de ciência da computação do que um fluxo de pensamento que um físico conduz consigo mesmo. Mais do que dizer ‘um computador clássico não pode simular um sistema quântico’, Feynman defende que isso não pode ser feito de modo eficiente e geral; a distinção é importante, pois sistemas pequenos já podem ser calculados em um computador clássico. No texto aparecem também muitos outros temas; aqui só se transmite a tese principal, e foi escrito sem ver o texto.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: O artigo é citado como um dos textos iniciais da pesquisa em computação quântica; a proposta recebeu forma matemática por Lloyd em 1996.
Lloyd mostrou que computadores quânticos podem simular eficientemente sistemas quânticos locais.
Em 1982, Feynman havia proposto intuitivamente que um computador quântico poderia imitar sistemas quânticos. A pergunta de Lloyd é se isso é matematicamente correto.
O resumo do artigo relata o resultado assim: a conjectura de Feynman de 1982, isto é, a de que computadores quânticos podem ser programados para simular qualquer sistema quântico local, está correta. A palavra ‘local’ descreve os casos em que as interações do sistema dizem respeito a apenas algumas partículas de cada vez; a maioria dos sistemas físicos cai nessa classe.
A ideia principal do trabalho é dividir a evolução temporal do sistema em pequenos passos e realizar cada passo aproximadamente com uma série de operações quânticas simples. O erro de aproximação é controlável, e o número de operações cresce com o tamanho do sistema não exponencialmente, mas de modo razoável. Isso supera o problema do crescimento exponencial em um computador clássico.
O artigo estabelece o conceito de ‘simulador quântico universal’; não diz como isso seria construído como um dispositivo físico que funcione de fato.
O resultado de Lloyd é um resultado de ‘possibilidade’: se um computador quântico existir como um dispositivo suficientemente grande e que funcione adequadamente, ele pode simular sistemas quânticos locais. A dificuldade de construir tal dispositivo não é o tema do artigo. O resultado mostra por que a simulação é logicamente possível; deve-se ter em mente também que nem todos os sistemas quânticos (por exemplo, os de interações não locais) se enquadram nesse quadro.
Depois: Nos anos seguintes, em vez de um computador universal direto, foram desenvolvidos dispositivos de finalidade específica que simulam modelos particulares (átomos ultrafrios, íons aprisionados); o experimento de Greiner e colaboradores é um deles.
Greiner e colaboradores observaram a transição de superfluido a isolante de Mott em átomos ultrafrios em uma rede óptica.
Este experimento é citado como um dos primeiros exemplos fortes da ideia de fazer a simulação quântica não com um computador, mas com o próprio sistema quântico. A pergunta é se o comportamento de um modelo conhecido da física do estado sólido pode ser reproduzido em um conjunto controlável de átomos.
No trabalho, átomos de rubídio são resfriados a uma temperatura muito baixa e colocados em uma rede de ondas estacionárias formada por feixes de laser, isto é, uma ‘rede óptica’. A profundidade da rede pode ser mudada com a intensidade do laser. Quando a rede é rasa, os átomos formam um superfluido coerente que pode fluir ao longo da rede. Quando a rede é aprofundada, a repulsão entre os átomos domina e um número fixo de átomos permanece em cada sítio da rede; esse estado é o isolante de Mott, e os átomos já não podem fluir.
Os autores mostram que, à medida que a profundidade da rede muda, os dois estados se convertem um no outro como uma transição de fase; isso é chamado transição de fase quântica porque a transição é conduzida não pela temperatura, mas por flutuações quânticas. O resultado aponta para que um conjunto de átomos possa imitar esse modelo com parâmetros ajustáveis.
A importância deste trabalho é que a simulação aqui não é um ‘programa’, mas uma ‘montagem física’: os átomos na rede tomam o lugar dos elétrons do modelo. Tais dispositivos são por vezes chamados ‘simulador quântico analógico’, e são uma aplicação estreita da proposta de Feynman; imitam não todos os modelos, mas um modelo particular. Para as medições experimentais detalhadas do artigo é preciso consultar o próprio artigo.
Este resumo foi escrito sem consultar o resumo ou o texto do próprio artigo, com base em um relato conhecido; deve ser conferido com a fonte.
Depois: Essa abordagem foi desenvolvida nos anos seguintes para a simulação de outros modelos e de sistemas maiores.