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Domingo, Agosto 14, 2022

O que há dentro de um buraco negro? Computadores quânticos podem ser capazes de simulá-lo

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Ambos Computação quântica e aprendizado de máquina têm sido apontados como a próxima grande revolução do computador por um bom tempo.

No entanto, especialistas apontaram que essas técnicas não são ferramentas generalizadas – elas serão apenas o grande salto em poder computacional para algoritmos muito especializados e, ainda mais raramente, poderão trabalhar no mesmo problema.

Um exemplo de onde eles podem trabalhar juntos é modelar a resposta para um dos problemas mais espinhosos da física: como Relatividade geral relacionar com o Modelo padrão?

Uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Michigan e RIKEN acha que eles pode ter desenvolvido apenas tal algoritmo. Não há muitos lugares onde os dois grandes modelos físicos colidem, mas ao redor de um buraco negro está um deles.

Buracos negros são poços de gravidade massivos governados inteiramente pela física definida pela Relatividade Geral. No entanto, inúmeras partículas estão girando em torno de seus horizontes de eventos que são efetivamente imunes à gravidade, mas se enquadram na estrutura do Modelo Padrão, que lida diretamente com a física das partículas.

Existe uma teoria de longa data de que os movimentos e acelerações das partículas diretamente acima de um buraco negro podem ser uma projeção bidimensional do que o próprio buraco negro está fazendo em três dimensões.

Esse conceito é chamado dualidade holográfica e pode oferecer uma maneira de procurar essa interface crítica entre a relatividade (ou seja, a física dos buracos negros) e o modelo Padrão (ou seja, a física de partículas).

A própria dualidade holográfica é um desafio para modelar com algoritmos de computação modernos, no entanto. Então, Enrico Rinaldi, físico da Universidade de Michigan e RIKEN, tentou desenvolver um novo modelo que utilizasse essas duas arquiteturas de computação muito badaladas – Computação quântica e aprendizado de máquina.

A própria computação quântica pode ser útil na modelagem da física de partículas, pois parte da física subjacente à própria plataforma de computação está sujeita a essas leis físicas que são tão estranhas para nós em uma escala macro.

Neste caso, Dr. Rinaldi e sua equipe usaram um algoritmo rodando em um computador quântico simular as partículas que compõem o projeto fazem parte da dualidade holográfica.

Para isso, eles utilizaram um conceito chamado modelo de matriz quântica. Como em muitas simulações físicas, o objetivo final da simulação era encontrar o estado de energia mais baixo do sistema.

Modelos de matriz quântica ajudariam a resolver efetivamente os problemas de otimização que encontrariam o estado de energia mais baixo dos sistemas de partículas projetados acima de um buraco negro.

Algoritmos que utilizam um computador quântico não são a única maneira de encontrar esses “estados fundamentais”, como é chamado o estado de energia mais baixo do sistema. Outro método seria utilizar um tipo de técnica de IA chamada rede neural. Estes são baseados no uso de sistemas semelhantes aos encontrados em cérebros humanos.

A equipe aplicou esses algoritmos a um tipo de modelo de matriz ainda baseado em ideias quânticas, mas não exigindo computação quântica.

Conhecido como uma função de onda quântica, estes representavam novamente a atividade das partículas na superfície do buraco negro. E mais uma vez, o algoritmo da rede neural foi capaz de resolver o problema de otimização e encontrar seu “estado fundamental”.

De acordo com Rinaldi, essas novas técnicas representam uma melhoria significativa em relação a outros esforços anteriores na solução desses algoritmos. “Outros métodos que as pessoas normalmente usam podem encontrar a energia do estado fundamental, mas não toda a estrutura da função de onda”, disse Rinaldi em um Comunicado de imprensa.

O que isso significa para entender o interior de um buraco negro, ou a interface entre o modelo padrão e a relatividade geral, ainda é uma caixa preta. Teoricamente, deve haver uma maneira de modelar o interior de um buraco negro usando os tipos de funções de onda quântica definidas por esses algoritmos.

Mas esse trabalho, que poderia levar a uma teoria quântica subjacente da gravidade, de acordo com Rinaldi, ainda precisa ser feito. À medida que essas arquiteturas de computação empolgantes continuam a ganhar popularidade, é quase certo que alguém tentará iluminar essa caixa preta.

Este artigo foi originalmente publicado por Universo hoje. Leia o artigo original.



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