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Chip simula espaço curvo para estudar partículas e buracos negros


Micrografia do chip que simula um espaço hiperbólico.
[Imagem: Kollár et al.]

Plano hiperbólico

As interações atômicas nos materiais sólidos e líquidos são tão complexas que algumas das propriedades desses materiais continuam a escapar da compreensão dos físicos: Resolver essas interações matematicamente está além da capacidade dos computadores mais modernos.

Então, cientistas da Universidade de Princeton, nos EUA, se voltaram para um ramo incomum da geometria e, em lugar dos simuladores computacionais, construíram um hardware que lhes permite estudar esses sistemas.

Eles construíram uma matriz eletrônica em um chip que simula as interações das partículas em um plano hiperbólico, uma superfície geométrica na qual o espaço se curva para longe de si mesmo em todos os pontos.

É difícil imaginar um plano hiperbólico, mas o artista M.C. Escher usou a geometria hiperbólica em muitas de suas peças intrigantes. Tentar forçar uma esfera tridimensional em um plano bidimensional mostra que o espaço em um plano esférico é menor do que em um plano bidimensional - é por isso que as formas dos países parecem esticadas quando desenhadas em um mapa plano da Terra esférica. Em contraste, um plano hiperbólico precisaria ser comprimido para se encaixar em um plano bidimensional.

Simulador de espaço curvo

A equipe usou circuitos supercondutores no chip para criar uma rede que funciona como um espaço hiperbólico. Quando fótons entram nessa rede, suas interações no espaço hiperbólico simulado permitem visualizar uma série de comportamentos que não podem ser observados de outra forma.

"Você pode jogar uma porção de partículas, ativar uma quantidade muito controlada de interação entre elas e ver a complexidade emergir," explica o professor Andrew Houck.

O objetivo primário da equipe é estudar questões sobre interações quânticas, que governam o comportamento de partículas atômicas e subatômicas.

"O problema é que, se você quer estudar um material mecânico quântico muito complicado, então a modelagem por computador é muito difícil. Estamos tentando implementar um modelo no nível de hardware para que a natureza faça a parte difícil da computação para você," disse a pesquisadora Alicia Kollár.


"Você pode jogar uma porção de partículas, ativar uma quantidade muito controlada de interação entre elas e ver a complexidade emergir."
[Imagem: Kollár et al. - 10.1038/s41586-019-1348-3]

De partículas a buracos negros

O chip, medindo pouco mais de um centímetro, é composto por um circuito de ressonadores supercondutores que fornecem caminhos para os fótons de micro-ondas se moverem e interagirem. Os ressonadores são dispostos em um padrão de rede de heptágonos, ou polígonos de sete lados. A estrutura existe em um plano bidimensional, mas simula a geometria incomum de um plano hiperbólico.

"No espaço 3-D normal, não existe uma superfície hiperbólica," explicou Houck. "Esse material nos permite começar a pensar em misturar a mecânica quântica e o espaço curvo em um ambiente de laboratório."

Além das interações das partículas governadas pela mecânica quântica, a capacidade do chip de simular o espaço curvo promete abrir campos de estudo em outras áreas, incluindo as propriedades da energia e da matéria no espaço-tempo distorcido em torno dos buracos negros.

O chip também poderá ser útil para entender teias complexas de relacionamentos na teoria matemática de grafos e nas redes de comunicação.

Bibliografia:

Artigo: Hyperbolic lattices in circuit quantum electrodynamics
Autores: Alicia J. Kollár, Mattias Fitzpatrick, Andrew A. Houck
Revista: Nature
Vol.: 571, pages 45-50
DOI: 10.1038/s41586-019-1348-3

FONTE: SITE INOVAÇÃO TECNOLOGICA

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