Explorando topologia não trivial em criticalidade quântica em um processador supercondutor

Por que as flutuações quânticas importam para a tecnologia do futuro

Materiais do cotidiano, como ímãs e supercondutores, devem seus comportamentos estranhos a incontáveis partículas quânticas minúsculas atuando em conjunto. Físicos há muito tempo usam esse comportamento coletivo para classificar diferentes “fases” da matéria, como sólidos e líquidos, ou estados mais exóticos que conduzem eletricidade apenas nas suas bordas. Este artigo explora um tipo especialmente sutil de fase quântica que se situa exatamente num ponto de equilíbrio entre duas formas de ordem. Usando um grande processador quântico supercondutor, os pesquisadores mostram que mesmo nesse ponto delicado de equilíbrio, padrões ocultos de organização sobrevivem e poderiam ser aproveitados como recurso para tecnologias quânticas.

Um novo tipo de ordem no ponto de equilíbrio

Tradicionalmente, fases da matéria são distinguidas por haver ou não a quebra de alguma simetria do sistema — por exemplo, quando um ímã escolhe uma direção preferida. Mais recentemente, cientistas descobriram fases “topológicas”, onde a informação crucial não está em qualquer padrão local, mas em características globais do estado quântico e de seu emaranhamento. Essas fases são geralmente consideradas dependentes de uma lacuna de energia que as protege de perturbações. O trabalho descrito neste artigo desafia essa intuição ao focar em um modelo que é gapless (sem lacuna) em um ponto crítico quântico especial, onde o sistema está entre uma fase magneticamente ordenada comum e uma fase topológica. A teoria prevê que, apesar da ausência de lacuna, esse ponto crítico retém características robustas de borda que o distinguem de um sistema crítico mais convencional.

Construindo um anel quântico de 100 qubits

Para sondar esses efeitos delicados, a equipe usa um processador supercondutor flip-chip contendo 125 qubits, dos quais 100 são configurados em um anel unidimensional. Cada qubit pode ser controlado e lido individualmente, enquanto pares de vizinhos são conectados por acopladores ajustáveis que implementam portas de emaranhamento precisas. Em vez de projetar diretamente as interações muitos-corpos completas do modelo alvo, os pesquisadores adotam uma estratégia variacional: desenham uma sequência compacta de portas quânticas cujos ângulos de rotação ajustáveis são otimizados em um computador clássico para sistemas pequenos. Explorando a estrutura uniforme do modelo, eles então extrapolam essa receita para anéis muito maiores, preparando estados quânticos de baixa energia que aproximam de perto o estado fundamental e o primeiro estado excitado no ponto crítico, sem precisar ajustar finamente um circuito de 100 qubits no próprio dispositivo.

Lendo padrões ocultos de emaranhamento

Embora esses estados preparados tenham energia muito baixa, eles não exibem perfeitamente todas as sutis características de longo alcance de um sistema infinito ideal. Para revelar a estrutura subjacente, os autores recorrem a uma técnica chamada tomografia do Hamiltoniano de emaranhamento. Eles medem repetidamente diferentes segmentos do anel de 100 qubits de muitas maneiras cuidadosamente escolhidas, depois usam otimização clássica para reconstruir um “Hamiltoniano de emaranhamento” efetivo que captura como cada segmento está ligado quânticamente ao restante do sistema. A partir desse objeto reconstruído, eles podem calcular assinaturas padrão de comportamento crítico, como como as correlações entre spins decaem com a distância e como a entropia de emaranhamento de um bloco cresce com seu tamanho. Os números extraídos correspondem às expectativas teóricas para a mesma classe de universalidade do conhecido modelo de Ising, confirmando que o experimento de fato alcançou o regime crítico quântico pretendido.

Descobrindo modos tipo borda sem bordas reais

Os resultados mais impressionantes surgem ao examinar o espectro de emaranhamento, que é uma visão refinada de como a informação quântica em um subsistema está organizada. A teoria prevê que, para este modelo crítico particular, o espectro de emaranhamento deve exibir uma degenerescência robusta de dois níveis associada a modos de borda emergentes, mesmo que o sistema físico seja um anel fechado sem fronteiras reais. Usando suas matrizes densidade reconstruídas, os pesquisadores calculam esse espectro para segmentos de vários comprimentos e observam a estrutura pareada esperada nos níveis mais baixos em todos os casos. À medida que os segmentos crescem, o padrão se acentua em uma disposição em forma de torre característica de teorias conformes de campo, revelando uma conexão profunda entre o comportamento crítico do volume e características tipo fronteira codificadas apenas no emaranhamento.

O que isso significa para a matéria quântica e as máquinas quânticas

Em termos simples, o estudo mostra que certos tipos de ordem topológica podem sobreviver justamente no limiar de uma transição de fase, em sistemas sem a habitual lacuna de proteção de energia. Ao preparar de forma astuta estados acessíveis de baixa energia em um processador quântico programável, porém ruidoso, e então usar reconstrução baseada em emaranhamento para “ver através” das imperfeições experimentais, os autores fornecem evidência experimental de que esses estados críticos hospedam modos quânticos ocultos do tipo borda. Isso sugere que simuladores quânticos futuros nem sempre precisarão alcançar estados fundamentais impecáveis para revelar física rica: estados criteriosa e cuidadosamente escolhidos de baixa energia, combinados com ferramentas de análise inteligentes, podem já codificar a informação universal essencial sobre fases quânticas exóticas e suas transições.

Citação: Tan, Z., Wang, K., Yang, S. et al. Exploring nontrivial topology at quantum criticality on a superconducting processor. Commun Phys 9, 136 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02569-9

Palavras-chave: transições de fase quânticas, ordem topológica, espectro de emaranhamento, qubits supercondutores, simulação quântica