Mixed-state phases induced by power-law quantum channels

No mundo quântico, a matéria geralmente vem em dois sabores: estados puros, que são perfeitamente isolados e previsíveis, e estados mistos, que são bagunçados, ruidosos e estão constantemente interagindo com seus arredores. Durante décadas, físicos mapearam as fases distintas da matéria pura, descobrindo que, mesmo em um ambiente caótico, certos padrões de ordem podem emergir e persistir. No entanto, quando um sistema está aberto ao ambiente, as regras mudam. Um novo tipo de ordem foi proposto recentemente, uma que existe apenas nesses estados mistos e bagunçados e que não possui contraparte no mundo limpo e isolado. Este fenômeno envolve um tipo específico de quebra de simetria, onde um sistema perde uma forma de ordem forte e rígida, mas retém uma versão mais fraca e média dela. Embora cientistas tenham visto isso acontecer em sistemas com duas ou mais dimensões, uma crença de longa data sustentava que, em uma linha unidimensional, tal transição nunca poderia ocorrer se o ruído fosse limitado aos vizinhos próximos. A ideia era que o ruído simplesmente lavaria qualquer ordem complexa antes que ela pudesse se estabelecer.

Uma equipe de pesquisadores agora desafiou essa limitação ao introduzir um novo tipo de ruído que alcança todo o sistema. Em vez de apenas sussurrar para seus vizinhos imediatos, o ruído no modelo deles fala com todas as outras partes da linha, embora a força dessa conversa diminua conforme a distância aumenta. Ao aplicar esse ruído de longo alcance a uma família específica de estados quânticos, eles descobriram que as velhas regras não se aplicam mais. Eles descobriram que, mesmo em uma linha unidimensional, esse ruído de lei de potência pode desencadear uma mudança dramática de um estado de simetria perfeita para um estado onde a simetria forte se quebra, deixando apenas a versão fraca para trás. Essa transição acontece em uma força de ruído específica e mensurável, provando que sistemas unidimensionais podem, de fato, abrigar essa forma exótica de ordem de estado misto, desde que o ruído esteja conectado o suficiente para abranger a distância.

Os pesquisadores começaram sua investigação com uma família de estados quânticos que podem ser suavemente ajustados entre dois extremos: um estado trivial e sem interesse e um estado mais complexo conhecido como fase topológica protegida por simetria. Na versão pura e sem ruído desses estados, a fase complexa é protegida por uma simetria especial que mantém a informação segura nas bordas do sistema. Para ver o que acontece quando o sistema fica ruidoso, a equipe aplicou um canal quântico que simula um tipo específico de perturbação. Este canal faz com que pares de sítios na linha percam sua coerência quântica, mas com um detalhe: a probabilidade de isso acontecer cai de acordo com uma lei de potência baseada na distância entre os sítios. Se os sítios estiverem próximos, a perturbação é provável; se estiverem distantes, é menos provável, mas nunca desaparece completamente.

Quando aplicaram este canal de longo alcance aos seus estados, eles construíram um mapa detalhado das fases resultantes. Descobriram que, para ruído fraco, o sistema permanece em um estado simétrico. No entanto, à medida que a força do ruído aumenta, o sistema cruza uma fronteira nítida para um novo estado onde a simetria forte é espontaneamente quebrada, deixando apenas a simetria fraca intacta. Essa transição, que eles chamam de quebra espontânea de simetria forte-para-fraca, era anteriormente considerada impossível em uma dimensão com ruído de curto alcance. Os pesquisadores confirmaram essa transição medindo quantidades específicas que atuam como termômetros para a ordem do sistema. Eles descobriram que, enquanto as medidas usuais de ordem desapareciam, uma medida mais sofisticada, que observa o sistema em um espaço matemático duplicado, sinalizava claramente a mudança. Esta nova fase não é apenas uma versão bagunçada da antiga; é um estado distinto de matéria com suas próprias propriedades únicas.

Talvez a descoberta mais surpreendente tenha sido a natureza da fase que existe logo antes da simetria se quebrar. Na região onde o ruído está presente, mas ainda não é forte o suficiente para quebrar a simetria, o sistema entra em uma versão de estado misto da fase topológica. Nos estados puros, essa fase é famosa por armazenar informação quântica em suas bordas, protegida pela simetria do sistema. Nesta nova fase mista, os pesquisadores descobriram que o sistema ainda retém dois qubits lógicos de informação, embora os sinais tradicionais dessa ordem tenham desaparecido. A maneira padrão de detectar essa ordem, que envolve observar uma sequência específica de correlações, falha completamente no estado misto porque o ruído destrói o sinal linear. No entanto, ao usar uma ferramenta de diagnóstico diferente, que observa a coerência do sistema de uma forma não linear, a equipe mostrou que a informação ainda está lá, protegida por uma simetria sutil que atua tanto no sistema quanto em sua imagem matemática espelhada. Esta fase é distinta dos estados decoeridos estudados anteriormente porque retém um alto grau de pureza, o que significa que o sistema não é tão bagunçado quanto se poderia esperar.

O estudo também abordou um grande obstáculo prático na observação desses fenômenos: a dificuldade de medir estados mistos em computadores quânticos reais. Como esses estados são inerentemente ruidosos, medi-los geralmente exige um número enorme de amostras para obter um sinal claro, o que frequentemente torna os experimentos impossíveis no hardware atual. Os pesquisadores descobriram que, ao escolher seus estados iniciais cuidadosamente — especificamente, ao ajustá-los para serem próximos de um ponto especial onde o sistema é naturalmente invariante ao ruído — eles poderiam criar estados mistos que permanecem surpreendentemente puros. Essa alta pureza reduz drasticamente o número de medições necessárias para detectar a transição de fase. Eles calcularam que, para um sistema de dezoito sítios, sondar a transição neste ponto ideal exigiria apenas algumas centenas de disparos de medição, enquanto sondar em um ponto menos otimoso exigiria dezenas de milhares. Isso sugere que o fenômeno que eles descreveram não é apenas uma curiosidade teórica, mas algo que pode ser realizado e observado em dispositivos quânticos de curto prazo.

A equipe baseou seu trabalho em um truque matemático inteligente que mapeia o problema quântico em um modelo clássico de mecânica estatística, um arcabouço bem compreendido para estudar como partículas interagem. Nesta imagem clássica, o ruído quântico traduz-se em interações de longo alcance entre spins, semelhante a como ímãs influenciam uns aos outros através de uma distância. Esse mapeamento permitiu que eles usassem simulações computacionais poderosas para explorar o comportamento do sistema através de uma ampla gama de parâmetros. Eles confirmaram que a transição para a fase de simetria quebrada ocorre em uma força de ruído finita para uma ampla gama de expoentes de lei de potência, desde que as interações sejam suficientemente longas. Eles também mostraram que, se as interações fossem de curto alcance, a transição desapareceria, confirmando que a natureza de longo alcance do ruído é o ingrediente fundamental que permite a existência desta nova fase em uma dimensão.

Em última análise, esta pesquisa abre uma nova janela para o comportamento da matéria quântica em ambientes ruidosos. Ela demonstra que as limitações dos sistemas unidimensionais podem ser superadas pela introdução de conexões de longo alcance, levando a um rico diagrama de fases com novos estados de matéria. A descoberta de uma fase topológica de estado misto que retém informação quântica, apesar da decoerência, oferece uma nova perspectiva sobre como proteger dados quânticos. Além disso, a identificação de um regime de parâmetros onde esses estados permanecem altamente puros fornece um caminho claro para que experimentalistas testem essas ideias em laboratório. O trabalho sugere que o mundo quântico, mesmo sendo bagunçado e unidimensional, guarda mais surpresas e formas mais robustas de ordem do que se imaginava anteriormente, esperando para serem desbloqueadas pelo tipo certo de ruído.