Afinal, os computadores quânticos podem não ser necessários para seus usos primários

À medida que os computadores quânticos continuam a avançar, torna-se cada vez mais importante identificar problemas que podem ser resolvidos mais rapidamente do que os melhores computadores clássicos do mundo. Mas acontece que as tarefas importantes que os proponentes da tecnologia quântica almejam no futuro podem não exigir computadores quânticos.

A tarefa em questão envolve uma molécula chamada FeMoco, que desempenha um papel fundamental para tornar possível a vida na Terra. Isso porque faz parte do processo de fixação de nitrogênio, onde os microrganismos convertem o nitrogênio atmosférico em amônia, tornando-o biologicamente acessível à maioria dos outros organismos. Como exatamente o FeMoco funciona durante esse processo é complexo e não totalmente compreendido, mas se isso puder ser decifrado e replicado em escala industrial, poderá reduzir significativamente a energia necessária para produzir fertilizantes e levar ao aumento do rendimento das colheitas.

Um aspecto importante da compreensão do FeMoco é determinar sua energia mais baixa, ou energia do “estado fundamental”. Isso requer consideração de muitos comportamentos dos elétrons. Porém, os elétrons são partículas quânticas que se comportam como ondas e ocupam diferentes regiões chamadas órbitas. Este nível de complexidade, com muitos elétrons em muitos orbitais, até agora tornou difícil para os computadores tradicionais calcularem muitas das propriedades do FeMoco.

Embora os investigadores tenham tido algum sucesso na utilização de métodos de aproximação, a precisão das estimativas de energia tem sido limitada. Por outro lado, as investigações matemáticas provaram rigorosamente que os computadores quânticos que codificam esta complexidade de uma forma fundamentalmente diferente podem resolver problemas sem aproximações, um exemplo estabelecido da chamada vantagem quântica.

Mas agora GarnetKin Rick Chan Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia descobriram um método de cálculo convencional que parece ser capaz de atingir a mesma precisão dos cálculos quânticos. Uma métrica chave é a ideia de “precisão química”, ou a precisão mínima necessária para fazer previsões realistas de processos químicos. Com base em seus cálculos, Zhang e colegas afirmam que os supercomputadores convencionais podem calcular a energia do estado fundamental do FeMoco com essa precisão.

FeMoco tem muitos estados quânticos, cada um com sua própria energia, dispostos no topo de algo como uma escada com o estado fundamental na parte inferior. Para tornar o alcance deste degrau inferior mais acessível aos algoritmos de computador clássicos, os investigadores concentraram-se no que sabemos sobre estados localizados em degraus próximos e no que as suas propriedades significam sobre o que pode existir um ou dois passos abaixo. Isto inclui, por exemplo, insights sobre as simetrias do estado quântico dos elétrons.

Em última análise, esta simplificação permitiu aos investigadores utilizar um algoritmo clássico para calcular um limite superior para a energia do estado fundamental do FeMoco e depois extrapolá-lo matematicamente para um valor de energia com uma incerteza consistente com a precisão química. Em outras palavras, a resposta final sobre qual será a energia mais baixa de uma molécula deve ser precisa o suficiente para ser usada em pesquisas futuras.

Os pesquisadores também estimam que os métodos de supercomputação poderiam ser mais rápidos que os métodos quânticos, permitindo que um dispositivo quântico realizasse cálculos que levariam oito horas em menos de um minuto. No entanto, esta estimativa pressupõe o desempenho ideal do supercomputador.

Isso significa que você será capaz de entender o FeMoco e promover sua agricultura imediatamente? Não completamente. Ainda há muitas questões sem resposta, como quais partes da molécula interagem mais com o nitrogênio e quais moléculas são produzidas como etapas intermediárias no processo de fixação do nitrogênio.

“Embora este estudo não diga muito sobre as capacidades do sistema FeMoco, ele eleva ainda mais o nível das abordagens quânticas como modelo para demonstrar benefícios quânticos”, diz ele. David Reichmann Na Universidade de Columbia, em Nova York.

baga dominica Professores da Universidade Macquarie em Sydney, Austrália, salientam que embora o trabalho da sua equipa mostre que os computadores clássicos podem atacar o problema FeMoco, eles só o podem fazer de forma aproximada, enquanto os métodos quânticos garantem que o problema pode ser completamente resolvido.

“Isto põe em causa o argumento a favor da utilização de computadores quânticos para problemas como este, mas para sistemas mais complexos esperaríamos que o tempo de computação dos métodos clássicos aumentasse muito mais rapidamente do que o dos algoritmos quânticos”, diz ele.

Outro problema é que os computadores quânticos ainda estão sendo refinados. Os computadores quânticos existentes são muito pequenos e propensos a erros para lidar com problemas como a energia do estado fundamental do FeMoco, mas espera-se que chegue em breve uma nova geração de computadores quânticos tolerantes a falhas que possam corrigir seus próprios erros. Do ponto de vista prático, diz Berry, eles ainda podem ser a melhor maneira de entender o FeMoco e moléculas relacionadas. “A computação quântica nos permitirá resolver esses sistemas de forma mais geral e deverá permitir cálculos de rotina quando computadores quânticos tolerantes a falhas estiverem disponíveis.”