Simulação de matéria quântica com luz programável

Pesquisadores da Universidade de Ottawa, em colaboração com a Universidade Federico II, na Itália, desenvolveram um simulador quântico programável que utiliza um feixe de luz para replicar o movimento de partículas em materiais complexos. Essa inovação elimina a necessidade de circuitos eletrônicos cada vez maiores, permitindo uma abordagem mais eficiente.

Em vez de conectar circuitos complexos, a equipe molda cuidadosamente o padrão espacial e a polarização dos fótons — duas características internas da luz — para que eles evoluam de forma semelhante a elétrons dentro de um cristal. Três telas ópticas programáveis, conhecidas como moduladores de luz espacial, realizam a maior parte do trabalho, e uma simples atualização de software é suficiente para reconfigurar todo o experimento para uma nova simulação.

Os resultados da pesquisa foram publicados em duas edições de 2026: “Compact and programmable large-scale optical processor in free space” na revista Light: Science & Applications, e “Programmable photonic quantum walks on lattices with cyclic, toroidal, and cylindrical topology” na Advanced Photonics.

Avanços na física da matéria condensada

“Programamos a estrutura da luz da mesma forma que um músico afina um instrumento”, afirma Ebrahim Karimi, professor titular do Departamento de Física da uOttawa. “Cada configuração permite que os fótons se movam por um material virtual diferente, e podemos alternar entre centenas deles sem tocar na óptica.”

A plataforma foi validada com luz laser clássica e fótons individuais, permitindo a execução de mais de 300 processos quânticos distintos e a dispersão de um único feixe de entrada em milhares de canais de saída. Em um dos experimentos, o simulador reproduziu as assinaturas características de materiais topológicos, que apresentam fases exóticas da matéria com geometria interna que protege os elétrons de perturbações, um fenômeno crucial para a próxima geração de eletrônicos.

“A topologia é um tema em alta na física da matéria condensada, mas medir seus efeitos diretamente é notoriamente difícil”, diz Dr. Alessio D'Errico, pesquisador sênior da equipe de Karimi. “Nossa plataforma óptica nos permite observar esses efeitos se desenrolarem em tempo real, diretamente em uma câmera.”

Exploração de geometrias avançadas

O sistema vai além de grades planas. Ao reprogramar os padrões ópticos, é possível simular o movimento de partículas em laços fechados, cilindros e superfícies em forma de donut, geometrias que capturam características de materiais quânticos avançados que raramente foram reproduzidos em experimentos puramente fotônicos.

“Um toro ou um cilindro pode parecer abstrato, mas essas formas codificam física real”, explica D'Errico. “Ser capaz de explorá-las todas em um único setup reconfigurável é um verdadeiro avanço na simulação quântica.”

Como a informação reside na luz, cada estágio da evolução quântica pode ser fotografado diretamente, proporcionando aos pesquisadores uma visão clara de dinâmicas que normalmente estão ocultas em dispositivos de estado sólido. O trabalho abre um caminho para o uso de plataformas fotônicas compactas para estudar o transporte quântico, investigar fenômenos topológicos e prototipar blocos de construção para futuras tecnologias quânticas.

“Basicamente, transformamos a luz em um laboratório controlável para estudos de matéria quântica”, conclui Karimi. “Dinâmicas complexas podem ser projetadas, observadas e compreendidas com uma clareza que simplesmente não estava disponível antes.”