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Simulando a criação de partículas em um universo em expansão usando computadores quânticos
Um novo estudo publicado na Scientific Reports simula a criação de partículas em um universo em expansão usando computadores quânticos da IBM, demonstrando a simulação quântica digital da teoria quântica de campos...
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Tejasri Gururaj - 08/02/2025
O circuito completo para medir o número de partículas criadas em um universo em expansão. Crédito: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-87015-6.
Um novo estudo publicado na Scientific Reports simula a criação de partículas em um universo em expansão usando computadores quânticos da IBM, demonstrando a simulação quântica digital da teoria quântica de campos para espaço-tempo curvo (QFTCS).
Embora as tentativas de criar uma teoria quântica completa da gravidade não tenham tido sucesso, há outra abordagem para explorar e explicar eventos cosmológicos.
O QFTCS mantém o espaço-tempo como um pano de fundo clássico descrito pela relatividade geral, enquanto trata a matéria e os campos de força dentro dele mecanicamente quânticos. Isso permite que os físicos estudem efeitos quânticos no "espaço-tempo curvo" sem precisar de uma teoria completa da gravidade quântica.
Essa teoria semiclássica já previu fenômenos como radiação Hawking de buracos negros e criação de partículas em espaços-tempos em expansão. No entanto, essas previsões têm sido difíceis de verificar experimentalmente.
Os cientistas, portanto, usaram simulações quânticas analógicas, como condensados de Bose-Einstein, para verificar esses fenômenos, deixando as simulações quânticas digitais inexploradas.
"Acredito que a computação quântica tem um futuro promissor para o avanço da pesquisa em física. Sempre adorei estudar o universo e seus fenômenos, então fui naturalmente atraído por campos quânticos em espaço-tempo curvo. Esta pesquisa representa uma intersecção fascinante desses dois campos, tornando-a uma escolha natural e inspiradora para mim", disse Maceda.
Mitigação de erros vs. correção de erros
Na atual era "quântica de escala intermediária barulhenta" (NISQ), os computadores quânticos têm três características principais. Isso inclui ruído, o que significa que os qubits e portas quânticas são suscetíveis a ruído ambiental, e esses dispositivos têm aproximadamente dezenas ou algumas centenas de qubits.
Embora esses dispositivos sejam poderosos e possam ser usados para aplicações como problemas de otimização e tarefas de aprendizado de máquina, eles têm um grande gargalo, que é o hardware.
Códigos de correção de erros quânticos (QECCs) demonstraram funcionar teoricamente, mas são difíceis de implementar. Eles exigem muitos qubits físicos para criar um único qubit lógico.
Esse requisito de sobrecarga torna os QECCs impraticáveis para implementação em computadores quânticos atuais que têm apenas dezenas ou centenas de qubits físicos.
No presente estudo, os pesquisadores superam isso sugerindo mitigação de erros em oposição à correção de erros. A ideia por trás disso é entender como os erros do sistema escalam com ruído.
Uma vez compreendido, os pesquisadores podem trabalhar de trás para frente para estimar o resultado sem erros.
Maceda explicou a importância dessa técnica com relação ao estudo: "Usamos apenas quatro qubits, um para cada estado possível do campo. No entanto, como nosso circuito envolvia um grande número de portas quânticas, os erros se acumulavam ao longo da execução. Para obter resultados confiáveis, aplicamos técnicas de mitigação de erros, o que ajudou a melhorar a fidelidade de nossos cálculos."
Criação de partículas
Na QFT, assume-se um espaço-tempo plano, conhecido como "espaço de Minkowski". No entanto, quando o espaço-tempo é curvo ou dinâmico (como em um universo em expansão), a física muda.
À medida que o espaço-tempo se estica ou expande (durante a inflação), o estado de vácuo (ou estado de energia do ponto zero) se torna excitado neste novo espaço-tempo, levando à criação de novas partículas. Acredita-se que este processo de criação de partículas tenha acontecido no início do universo.
Para simular esse processo, os pesquisadores escolheram a métrica universal Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) para descrever o espaço-tempo. Essa métrica descreve como o espaço-tempo se expande de forma homogênea e isotrópica.
Para o campo quântico, eles consideram um campo escalar massivo que evolui de acordo com a equação de Klein-Gordon modificada para explicar o espaço-tempo curvo e em expansão.
Finalmente, para descrever o processo de criação de partículas, os pesquisadores usaram transformações de Bogoliubov. Essas transformações fornecem uma maneira para os pesquisadores calcularem quantas partículas seriam criadas em espaços-tempos variáveis, ou seja, estados inicial e final.
Implementando o circuito quântico
Os pesquisadores projetaram um circuito quântico para simular esse processo usando o processador Eagle de 127 qubits da IBM.
O estado inicial do universo foi projetado para começar no estado de vácuo ou estado de "energia do ponto zero", com uma restrição de uma excitação por modo.
Em seguida, os pesquisadores implementaram o circuito quântico para o processo de criação de partículas.
Maceda explicou o processo de projetar o circuito quântico, dizendo: "O primeiro passo no projeto do circuito quântico foi determinar o operador de evolução temporal do sistema. Isso foi alcançado relacionando os estados inicial e final por meio de transformações de Bogoliubov."
Essa etapa permitiu que eles calculassem o número de partículas criadas durante o processo.
Maceda continuou: "Depois de estabelecermos essa relação, atribuímos os estados excitados do campo escalar a qubits específicos no computador quântico."
Os pesquisadores codificaram os estados do campo quântico para qubits físicos reais, cada um correspondendo aos quatro níveis de excitação do sistema. Isso incluiu o estado fundamental, uma excitação em cada modo positivo e negativo, e uma em ambos os modos.
"Finalmente, aplicando técnicas desenvolvidas pelo meu mentor, Dr. Sabín, mapeamos o operador de evolução temporal para operações unitárias que atuam nesses qubits, garantindo que sua evolução refletisse com precisão a dinâmica do campo escalar em um universo em expansão", disse Maceda.
Para conseguir o mapeamento do operador de evolução temporal para operadores unitários que podem atuar em qubits, os pesquisadores usaram centenas de portas quânticas.
Para mitigação de erros, os pesquisadores aplicaram "extrapolação de ruído zero" (ZNE). Esse método funciona adicionando ruído deliberadamente ao sistema de forma controlada, medindo como o ruído afeta os resultados e, então, extrapolando de volta para o estado de ruído zero.
Uma ferramenta viável para pesquisas futuras
As simulações demonstraram com sucesso a criação de partículas no espaço-tempo em expansão , com resultados que correspondem às previsões teóricas. Embora os resultados do computador quântico tenham mostrado maior ruído, eles demonstraram viabilidade.
Além disso, as técnicas de ZNE melhoraram significativamente os resultados, demonstrando a viabilidade do uso de simulações quânticas para estudar sistemas complexos.
Explicando o impacto de seu trabalho na cosmologia, Maceda disse: "Nosso trabalho fornece uma nova maneira de simular a criação de partículas no universo primitivo, oferecendo insights mais profundos sobre os processos fundamentais que moldam o cosmos."
Os pesquisadores também acreditam que as simulações quânticas digitais já estão se tornando e continuarão se tornando ferramentas viáveis para investigar fenômenos cosmológicos.
"Simulações quânticas digitais já foram usadas pelo meu mentor, Dr. Sabín, para pesquisar tópicos como emaranhamento gravitacional, transformações de Rindler que explicam a evaporação de buracos negros e a estrutura causal do universo", comentou Maceda.
Mais informações: Marco D. Maceda et al, Simulação quântica digital da criação de partículas cosmológicas com computadores quânticos IBM, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-87015-6 .
Informações do periódico: Scientific Reports
