Voltar ao instante em que o Universo nasceu é obviamente impossível. Nem mesmo os aceleradores de partículas mais poderosos conseguem reproduzir tudo o que aconteceu sob aquelas condições extremas. Mas físicos estão explorando um atalho surpreendente. Em vez de reconstruir diretamente o Big Bang, eles utilizaram um computador quântico para imitar um fenômeno fundamental da matéria e descobriram que máquinas futuras podem alcançar regiões da física que computadores convencionais simplesmente não conseguirão acompanhar.
O experimento começa com algo que ninguém consegue observar diretamente
Para entender o que os pesquisadores fizeram, primeiro é necessário descer até uma escala quase inimaginável.
Prótons e nêutrons não são partículas indivisíveis. Dentro deles existem componentes ainda menores chamados quarks.
Eles são aproximadamente um bilhão de vezes menores que um átomo e não podem ser observados diretamente com a tecnologia disponível atualmente.
Além disso, quarks possuem uma característica particularmente curiosa: normalmente não aparecem isolados.
Eles permanecem confinados dentro de partículas compostas.
Uma maneira simplificada de imaginar dois quarks é pensar em duas pequenas partículas conectadas por uma espécie de corda invisível.
Quanto mais se tenta separá-los, maior fica a energia armazenada nessa ligação.
Chega então um momento extraordinário.
Em vez de simplesmente liberar os dois quarks originais, a energia acumulada pode produzir novas partículas. Esse processo é conhecido como ruptura de cordas e está relacionado a fenômenos que ocorreram sob condições extremas do Universo primordial.
O problema é que investigar essa dinâmica diretamente exige energias enormes.
Foi aí que os cientistas decidiram trocar força bruta por computação quântica.
Apenas 13 íons foram suficientes para construir um pequeno Universo artificial
A equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade Duke criou uma versão simulada desse fenômeno utilizando uma plataforma de íons aprisionados.
O experimento trabalhou com uma cadeia de apenas 13 íons.
Cada um deles podia ser manipulado cuidadosamente com feixes de laser. Ao controlar as interações entre essas partículas, os pesquisadores conseguiram programar o sistema para reproduzir matematicamente características da ruptura de cordas.
Em outras palavras, eles não criaram quarks reais nem reproduziram literalmente as condições do Big Bang.
O que fizeram foi construir um sistema quântico cujo comportamento segue determinadas regras matemáticas semelhantes às do fenômeno que desejavam estudar.
Os pesquisadores prepararam o conjunto de íons em um estado fora do equilíbrio e acompanharam sua evolução.
Durante o processo, observaram o surgimento de cargas efetivas e conseguiram reconstruir a dinâmica equivalente ao estiramento e à ruptura da ligação.
Isso permitiu acompanhar experimentalmente um processo que, no mundo real, aparece em condições extremamente difíceis de reproduzir.
Desta vez, um computador tradicional ainda conseguiu conferir a resposta
Existe um detalhe importante nesse experimento.
Os pesquisadores também realizaram uma simulação equivalente utilizando um computador clássico.
Os resultados coincidiram.
Isso foi fundamental porque permitiu verificar se o simulador quântico realmente estava reproduzindo corretamente a física prevista pelo modelo.
Mas essa comparação pode não continuar possível por muito tempo.
À medida que mais partículas e interações forem adicionadas, a quantidade de informação necessária para representar esses sistemas cresce rapidamente.
Computadores clássicos podem chegar a um ponto em que simplesmente não conseguem acompanhar toda a complexidade.
Máquinas quânticas funcionam de maneira diferente e podem representar determinados estados físicos de forma muito mais natural.
É justamente nesse momento que o experimento deixa de ser apenas uma demonstração tecnológica interessante.
Simuladores quânticos maiores poderão eventualmente investigar situações para as quais não existe uma solução computacional clássica prática capaz de confirmar o resultado.
O Big Bang pode ser estudado sem ser recriado
Naturalmente, nenhum computador quântico permitirá observar literalmente o nascimento do Universo.
A proposta é mais sutil.
As condições existentes pouco depois do Big Bang envolveram temperaturas e energias extraordinárias. Alguns fenômenos fundamentais da física de partículas ocorreram em escalas que não conseguimos reproduzir facilmente em laboratórios atuais.
Grandes aceleradores, como o LHC do CERN, conseguem criar ambientes extremos durante períodos minúsculos e continuam sendo ferramentas fundamentais para estudar partículas.
Os simuladores quânticos oferecem uma abordagem complementar.
Em vez de gerar diretamente determinadas condições físicas, eles podem ser programados para reproduzir as equações e interações que governam esses sistemas.
Isso permitiria testar teorias, observar a evolução de determinados modelos e investigar fenômenos cuja reprodução física seria extremamente difícil.
A ruptura de cordas é apenas um primeiro exemplo.
O verdadeiro salto acontecerá quando os computadores clássicos ficarem para trás
Por enquanto, trabalhar com 13 íons permite comparar os resultados com cálculos convencionais.
Mas os pesquisadores querem aumentar progressivamente a escala e a complexidade das simulações.
Se conseguirem fazer isso mantendo controle suficiente sobre os sistemas quânticos, chegará um momento em que as máquinas tradicionais não conseguirão reproduzir os mesmos cálculos em tempo razoável.
Essa é uma das grandes promessas da simulação quântica.
Em vez de utilizar computadores quânticos apenas para executar versões mais rápidas das tarefas atuais, pesquisadores querem empregá-los para investigar problemas que praticamente não podem ser tratados de outra maneira.
A formação da matéria, o comportamento de partículas fundamentais e alguns processos associados ao Universo primordial estão entre esses desafios.
Talvez nunca possamos viajar 13,8 bilhões de anos para observar diretamente os primeiros momentos do cosmos.
Mas a física está encontrando outra estratégia.
Em um laboratório, 13 partículas presas e controladas por lasers já conseguiram representar uma pequena parte daquele mundo extremo.
E, conforme esses sistemas crescerem, um computador quântico poderá se transformar em uma das ferramentas mais inesperadas para investigar aquilo que aconteceu quando o Universo ainda estava começando.
[Fonte: TN]
