Caos quântico, scrambling e computação quântica

Uma das coisas mais curiosas da computação quântica é que uma das áreas que mais ajuda a construir computadores quânticos confiáveis nasceu estudando algo aparentemente oposto:

O Caos

Olá eu Sou a Professora Artemísia, sou Física e Líder de time de Ciência de Dados, e pesquisadora em Sistemas Complexos, vem entender o tópico comigo!

A palavra "caos" costuma ser usada como sinônimo de bagunça.

Na ciência ela significa outra coisa, um sistema caótico é um sistema onde pequenas perturbações podem se espalhar rapidamente e produzir comportamentos extremamente complexos.

O clima é um exemplo clássico.

É daí que vem o famoso "efeito borboleta". A ideia de que pequenas diferenças iniciais podem crescer ao longo do tempo até produzir resultados completamente diferentes.

Tudo porque o sistema amplifica pequenas perturbações.

Por muito tempo os físicos acreditavam que essa ideia pertencia apenas ao mundo clássico.

Planetas, atmosfera, turbulência,correntes oceânicas. Até surgir uma pergunta desconfortável:

existe caos na mecânica quântica?

A pergunta parece simples, mas existe um problema. Na mecânica quântica não existem trajetórias como as da física clássica.

Um elétron não segue uma linha desenhada no espaço como um planeta orbitando uma estrela. Então o caos quântico não poderia ser definido da mesma forma.

Isso obrigou os físicos a procurar uma nova definição, a resposta acabou sendo:

Informação

Imagine uma gota de tinta caindo em um copo de água, no início você sabe exatamente onde ela está.

Algum tempo depois a tinta se espalha pelo copo inteiro, a informação continua lá. Só ficou distribuída.

O caos quântico faz algo parecido. Uma informação inicialmente localizada começa a se espalhar pelo sistema, ela fica distribuída entre muitas partículas ao mesmo tempo.

Esse processo recebe um nome especial:

scrambling.

Algo como embaralhamento da informação, e ele é uma das ideias centrais da física quântica moderna.

Agora imagine um sistema formado por centenas ou milhares de partículas quânticas interagindo, uma informação colocada em apenas uma delas começa lentamente a se espalhar pelas demais.

Depois de algum tempo ela está espalhada pelo sistema inteiro, a ponto que recuperá-la se torna muito mais difícil.

Curiosamente, esse fenômeno aparece em alguns dos sistemas mais extremos que conhecemos, Incluindo buracos negros.

Hoje eles são considerados alguns dos embaralhadores de informação mais eficientes permitidos pela física.

Até aqui parece uma história distante da computação, não é?

Mas agora chegamos ao problema central dos computadores quânticos.

Eles erram.

Todo computador quântico real interage com o ambiente. Vibrações,Campos eletromagnéticos, Flutuações térmicas.

isso gera erros.

E existe uma dificuldade extra.

Na computação clássica podemos copiar informação.

Na computação quântica isso não funciona da mesma forma.

O famoso Teorema da Não Clonagem impede a criação arbitrária de cópias perfeitas de estados quânticos.

Em vez de armazenar um dado em um único qubit, ele passa a ser distribuído entre muitos qubits físicos.

A informação deixa de pertencer a uma única partícula, Ela passa a existir nas correlações entre várias delas.

Agora pense no que acabamos de discutir sobre caos quântico.

Ele também espalha informação. Só que por motivos físicos completamente diferentes.

E foi aí que duas áreas aparentemente independentes começaram a se encontrar.

Durante décadas os pesquisadores enxergaram o caos apenas como um problema.

Porque ele pode espalhar erros pela máquina inteira.

Mas então surgiu uma descoberta muito elegante:

Em determinadas condições, os mesmos mecanismos que espalham informação também podem protegê-la contra perturbações locais.

A lógica é quase contraintuitiva, eu sei.

Imagine que você escreveu uma mensagem em uma única folha de papel.

Se a folha for rasgada, a mensagem pode desaparecer.

Agora imagine que essa mesma mensagem foi dividida em milhares de pedaços espalhados por uma biblioteca inteira.

Perder algumas páginas já não é suficiente para destruir a informação.

Foi justamente estudando como a informação se espalha em sistemas quânticos complexos que surgiu uma das ideias mais importantes da física moderna: a Hipótese da Termalização dos Autoestados, ou simplesmente ETH.

A ETH nasceu de uma pergunta aparentemente simples:

Como um sistema formado por muitas partículas consegue se comportar como um sistema térmico, mesmo sem estar trocando energia com o ambiente?

A resposta proposta é que as próprias interações entre as partículas espalham a informação pelo sistema inteiro.

Depois de algum tempo, o sistema deixa de carregar a memória dos detalhes iniciais e passa a exibir um comportamento coletivo.

Quando pesquisadores da computação quântica olharam para isso, perceberam algo interessante.

Era exatamente essa distribuição coletiva da informação que eles tentavam reproduzir nos códigos de correção de erros.

Afinal, uma informação espalhada por todo o sistema é muito mais difícil de destruir do que uma informação armazenada em apenas um lugar.

Os pesquisadores perceberam que o mesmo mecanismo que espalha informação por sistemas quânticos complexos também poderia ajudar a protegê-la.

E isso mudou a forma como enxergamos o papel do caos na computação quântica.

Isso não significa que um computador quântico deva operar em um estado caótico descontrolado.

O caos continua sendo um risco real.

Informação espalhada demais pode se tornar tão difícil de recuperar quanto informação perdida.

Por isso uma parte importante da pesquisa atual busca entender exatamente onde está o equilíbrio, Informação suficientemente distribuída para resistir a erros.

Mas ainda organizada o bastante para continuar sendo processada e lida quando necessário.

É uma situação elegante

Para construir computadores quânticos mais confiáveis, os pesquisadores precisaram estudar profundamente os mecanismos que fazem sistemas quânticos perderem previsibilidade.

O problema da correção de erros acabou levando diretamente para a física de muitos corpos e para a teoria do caos quântico.

No fim, a história do caos quântico não é uma história sobre desordem.

É o limite entre a ordem e o caos, com buracos negros, computadores e PATOS

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