Avanço da computação quântica desafia os limites da ciência

Cientistas desenvolveram um simulador quântico híbrido capaz de superar limitações e modelar fenômenos físicos complexos, aproximando-nos da simulação universal

Ao combinar o controle digital com simulações analógicas, cientistas criaram um novo e poderoso simulador quântico que supera as limitações tradicionais. Esse sistema híbrido permite a manipulação precisa de estados quânticos enquanto modela naturalmente fenômenos físicos do mundo real, possibilitando avanços em áreas como magnetismo, supercondutores e até astrofísica.

Avanço na simulação quântica

Físicos que trabalham no laboratório da Google desenvolveram um novo tipo de simulador quântico digital-analógico, capaz de estudar processos físicos complexos com precisão e adaptabilidade sem precedentes. Dois pesquisadores do Centro de Computação Científica, Teoria e Dados do PSI (Paul Scherrer Institut) desempenharam um papel crucial nesse avanço.

Considere o simples ato de derramar leite frio em café quente — como ele se espalha e mistura? Até os supercomputadores mais avançados enfrentam dificuldades para modelar esse processo com alta precisão, pois a mecânica quântica subjacente é incrivelmente complexa.

Em 1982, o físico ganhador do Prêmio Nobel Richard Feynman propôs uma alternativa: em vez de usar computadores clássicos, por que não construir computadores quânticos que possam simular diretamente processos físicos quânticos?

Agora, com rápidos avanços na computação quântica, a visão de Feynman está mais próxima do que nunca de se tornar realidade.

Um marco na computação quântica

Junto com pesquisadores do Google e universidades de cinco países, Andreas Läuchli e Andreas Elben, dois físicos teóricos do PSI, construíram e testaram com sucesso um novo tipo de simulador quântico digital-analógico.

Isso representa um marco porque seu simulador calcula processos físicos não apenas com precisão sem precedentes; seu conceito também é particularmente flexível, significando que pode ser aplicado a muitos problemas diferentes — desde física do estado sólido até astrofísica. Suas descobertas foram publicadas hoje na renomada revista científica Nature.

Combinando analógico e digital

Um aspecto-chave do novo processador quântico é que os 69 bits quânticos supercondutores (qubits) no chip quântico desenvolvido pelo Google permitem tanto modos de operação digitais quanto analógicos. Computadores quânticos digitais realizam suas operações usando portas quânticas universais, semelhantes às portas lógicas em computadores clássicos.

A diferença é que, graças à superposição quântica, os qubits podem assumir não apenas os estados 0 e 1, mas também uma multiplicidade de estados intermediários.

Embora esses computadores quânticos puramente digitais já sejam muito poderosos, seu potencial como simuladores quânticos ainda é limitado. Por outro lado, os simuladores quânticos analógicos dependem da simulação direta de processos físicos, modelando realisticamente as interações entre diferentes partículas, por exemplo, para estudar propriedades magnéticas em sólidos.

Essas duas abordagens — digital e analógica — foram combinadas com sucesso pela primeira vez em um experimento que reúne os pontos fortes de ambos os mundos.

Simulando processos físicos complexos

Para isso, os físicos definem condições iniciais discretas, como introduzir calor em um sólido — este é o modo digital. Isso permite que as condições iniciais sejam definidas de forma precisa e flexível. Na analogia com a xícara de café, por exemplo, seria como um bule despejando gotas de leite de maneira especificada e controlada em cem lugares diferentes, todos ao mesmo tempo. O processo subsequente pelo qual o leite se espalha no café corresponde ao modo analógico. A interação entre os qubits simula a dinâmica física, como a propagação de calor ou a formação de domínios magnéticos, conforme ocorre em sólidos reais.

“Podemos observar o simulador quântico enquanto ele alcança o equilíbrio térmico — ou, na analogia do café: o leite é distribuído no café e a temperatura é igualada no processo”, diz Andreas Elben, cientista tenure-track no PSI. “Nossa pesquisa demonstra que é possível criar processadores quânticos analógico-digitais supercondutores em um chip e que estes são adequados como simuladores quânticos”, aponta Andreas Läuchli.

Rumo a um simulador quântico universal

No entanto, a termalização — o processo de alcançar o equilíbrio térmico — é apenas uma das muitas questões fascinantes que podem ser respondidas usando o novo simulador quântico. O conceito demonstrado aqui pavimenta o caminho para um simulador quântico universal e será usado em uma ampla gama de áreas diferentes da física. Ele vai além das capacidades dos simuladores quânticos analógicos existentes, cada um dos quais é adequado apenas para um problema físico específico.

Um tópico que pode ser estudado dessa forma é o magnetismo, especialidade de Läuchli. Os qubits no chip quântico do Google estão dispostos no formato de um retângulo, e no estado inicial as direções de seus campos magnéticos alternam rigidamente.

Mas o que acontece se o chip for triangular? Isso pode perturbar o arranjo organizado porque os qubits não conseguem ajustar sua orientação magnética no padrão regular que adotam naturalmente.

Esse fenômeno é conhecido como magnetismo frustrado e é de interesse, por exemplo, em conexão com chips de computador que alternam e armazenam bits com base não na carga dos elétrons, mas em seus spins magnéticos. Isso leva a uma densidade de memória muito maior e a uma velocidade computacional mais alta.

Expansão de aplicações: de supercondutores a buracos negros

Novas aplicações estão surgindo no desenvolvimento de novos materiais, como supercondutores de alta temperatura, e até medicamentos que podem ser usados de forma mais precisa e causar menos efeitos colaterais.

Simuladores quânticos também são demandados na astrofísica. Um exemplo é o chamado paradoxo da informação, que afirma que nenhuma informação pode ser perdida na física quântica.

No entanto, astrofísicos acreditam que buracos negros de fato destroem informações sobre sua formação — novos tipos de simuladores quânticos podem esclarecer essa situação.

O futuro dos simuladores quânticos

“Nosso simulador quântico abre as portas para novas pesquisas”, promete Andreas Läuchli. Embora o projeto com o Google tenha chegado ao fim, muitas outras questões físicas aguardam ele e sua equipe no PSI.

No Quantum Computing Hub do ETHZ e do PSI e além, computadores quânticos e simuladores quânticos estão sendo desenvolvidos em várias plataformas tecnológicas, incluindo íons aprisionados, qubits supercondutores e átomos de Rydberg.

Esses sistemas em breve permitirão estudar questões empolgantes propostas pela física quântica no PSI.