Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor

No mundo sólido dos materiais cotidianos, a eletricidade e o calor geralmente fluem livremente, como a água através de um cano, até que algo bloqueie seu caminho. Por décadas, os físicos entenderam que, se um material fosse perfeitamente limpo e uniforme, a energia se espalharia uniformemente até que o sistema atingisse um estado calmo e previsível. No entanto, se o material for desordenado ou irregular — cheio de impurezas aleatórias — a energia pode ficar presa, retida no lugar como se o cano estivesse entupido com detritos. Esse fenômeno, conhecido como localização, é uma forma bem conhecida de interromper o fluxo de energia. Durante muito tempo, os cientistas acreditaram que, se as partículas em um sistema interagissem entre si, esse efeito de aprisionamento acabaria por falhar, permitindo que a energia fluísse novamente, não importava o quão desordenado fosse o material. Mas teorias recentes sugeriram que, mesmo em sistemas com interação, a desordem poderia manter a energia cativa por tempos incrivelmente longos, criando um estado da matéria que se recusa a se estabilizar.

Uma equipe de pesquisadores do Google Quantum AI e seus colaboradores observou agora uma reviravolta surpreendente nessa ideia. Eles descobriram que a energia pode ficar presa e falhar em se espalhar, mesmo quando o sistema é perfeitamente limpo e não contém desordem alguma. Essa descoberta, publicada em um estudo recente, desafia a intuição de que a desordem é necessária para interromper o fluxo de energia. Ao usar um computador quântico poderoso, a equipe simulou um tipo específico de grade onde as partículas e as forças interagem de uma forma altamente estruturada. Eles observaram o que acontecia quando introduziam um pequeno surto de energia no centro dessa grade. Em um sistema normal e limpo, essa energia ondularia para fora, espalhando-se por toda a grade até ser distribuída uniformemente. Em vez disso, descobriram que, em certas condições, a energia permanecia presa exatamente onde começou, recusando-se a difundir-se.

O experimento ocorreu em um processador quântico supercondutor, uma máquina que utiliza circuitos minúsculos para mimetizar o comportamento de partículas quânticas. Os pesquisadores construíram um modelo digital de uma rede (lattice), que é essencialmente uma grade de pontos conectados por linhas. Nessa grade, eles colocaram dois tipos de componentes: qubits de "matéria", que atuam como as partículas que carregam energia, e qubits de "gauge", que atuam como as forças que as conectam. A equipe preparou o sistema em um estado que parecia perfeitamente uniforme e ordenado, sem variações aleatórias ou impurezas. Eles então criaram uma pequena perturbação no meio da grade, semelhante ao ato de jogar uma pedra em um lago tranquilo. Em um sistema padrão e limpo, as ondulações dessa pedra viajariam para fora, eventualmente lavando toda a superfície.

O que os pesquisadores observaram foi diferente. Quando prepararam o sistema de uma forma específica que envolvia uma superposição quântica — um estado onde o sistema existe em muitas configurações possíveis ao mesmo tempo — a perturbação de energia não se espalhou. Em vez disso, ela permaneceu localizada perto do centro da grade. A energia ficou presa e o sistema reteve uma memória de onde a perturbação começou, mesmo após muitos ciclos de evolução. Esse comportamento, que os autores chamam de localização sem desordem (disorder-free localization), ocorreu tanto em anéis unidimensionais quanto em grades bidimensionais. A chave para este fenômeno não foi a falta de ordem, mas sim um tipo específico de ordem que mimetiza os efeitos da desordem. As simetrias internas do sistema criaram um fundo eficaz que agiu como um cenário aleatório, prendendo a energia sem que houvesse qualquer aleatoriedade real presente.

Para entender por que isso aconteceu, os pesquisadores olharam para o sistema através de uma lente diferente. Eles perceberam que o estado limpo e uniforme que criaram era, na verdade, uma superposição de muitas configurações de "desordem" diferentes. Na maioria dessas configurações ocultas, o potencial de fundo parecia desordenado e irregular, o que é conhecido por prender a energia. Como o sistema quântico estava explorando todas essas possibilidades simultaneamente, a energia ficou presa na maioria delas, levando a um efeito geral onde a energia não conseguia se mover. Isso é distinto de um sistema onde se simplesmente faz a média sobre muitos experimentos desordenados; aqui, o único experimento limpo produziu naturalmente o efeito de aprisionamento devido à forma como os estados quânticos foram combinados.

A equipe também mediu como as conexões internas do sistema mudavam ao longo do tempo. Eles descobriram que a "entropia de emaranhamento" do sistema, uma medida de quanto as partes do sistema estão ligadas entre si, crescia muito mais rápido neste estado preso sem desordem do que em um sistema desordenado típico. Esta foi uma descoberta crucial porque mostrou que o estado preso era fundamentalmente diferente dos estados de "localização de muitos corpos" (many-body localized) que os cientistas estudam há anos. Nesses sistemas desordenados tradicionais, as conexões entre as partes crescem muito lentamente. Neste novo estado sem desordem, as conexões cresceram rapidamente, sugerindo um tipo único de comportamento quântico que não é totalmente fluido nem totalmente estagnado no sentido tradicional.

Os pesquisadores confirmaram essas descobertas executando o mesmo experimento em uma grade bidimensional com 81 qubits. Assim como no anel unidimensional, a perturbação de energia permaneceu localizada quando o sistema foi preparado no estado de superposição, enquanto se espalhou livremente quando preparado em um estado único e não superposto. Os resultados foram consistentes em ambas as dimensões, sugerindo que este fenômeno é robusto e não apenas um acaso de uma configuração específica. A equipe também comparou seus dados experimentais com simulações computacionais, encontrando que o processador quântico real se comportou em estreita concordância com as previsões teóricas, mesmo à medida que o sistema se tornava maior e mais complexo.

Este trabalho faz mais do que apenas observar um novo estado da matéria; ele oferece uma nova maneira de estudar a própria desordem. Normalmente, para entender como um sistema desordenado se comporta, os cientistas precisam executar milhares de simulações com diferentes arranjos aleatórios de impurezas e, em seguida, fazer a média dos resultados. Isso é computacionalmente caro e difícil. Os pesquisadores mostraram que, ao usar uma superposição quântica, eles poderiam efetivamente amostrar todas as configurações de desordem possíveis em um único experimento. Essa abordagem pode acelerar significativamente o estudo de materiais complexos, permitindo que os cientistas explorem eventos raros e condições extremas que estão atualmente fora do alcance dos computadores clássicos.

O estudo destaca uma conexão profunda entre as simetrias de um sistema físico e a maneira como a energia se move através dele. Ele demonstra que você não precisa de um ambiente desordenado e caótico para interromper o fluxo de energia; você só precisa do tipo certo de ordem quântica. Essa percepção pode ajudar físicos a projetar novos materiais ou dispositivos quânticos que possam proteger a informação contra a propagação e o vazamento, um requisito crítico para a construção de computadores quânticos estáveis. Ao mostrar que a localização pode ocorrer sem desordem, os pesquisadores abriram um novo capítulo no estudo de como os sistemas quânticos evoluem, provando que a ausência de caos pode, por vezes, criar os mesmos efeitos de sua presença.