Computadores quânticos podem ajudar a entender como os objetos quânticos se comportam
Galina Nelyubova/Unsplash
No ano passado, continuei trazendo a mesma história ao meu editor. Os computadores quânticos estão se tornando úteis para descobertas científicas.
Claro, esse sempre foi o objetivo. A ideia de usar computadores quânticos para entender melhor o nosso universo fez parte de sua história de origem e até apareceu em um filme. 1981 Discurso de Richard Feynman. Refletindo sobre a melhor forma de simular a natureza, ele escreve: “Podemos abandonar as regras sobre o que é um computador. Podemos dizer: vamos construir o próprio computador com elementos da mecânica quântica que obedecem às leis da mecânica quântica”.
Hoje, a visão de Feynman está sendo concretizada pelo Google, pela IBM e por dezenas de outras empresas e equipes acadêmicas. Seu dispositivo está sendo usado atualmente para simular a realidade em nível quântico. Aqui estão alguns destaques.
Para mim, o desenvolvimento quântico deste ano começou com dois estudos sobre física de partículas de alta energia que chegaram à minha mesa em junho. Duas equipes de pesquisa distintas usaram dois computadores quânticos completamente diferentes para simular o comportamento de pares de partículas em campos quânticos. Um deles usava o chip Sycamore do Google, feito de minúsculos circuitos supercondutores controlados por microondas, e o outro, feito pela empresa de computação quântica QuEra, usava um chip baseado em átomos criogênicos controlados por lasers e forças eletromagnéticas.
Os campos quânticos codificam como forças como a força eletromagnética agem sobre partículas em qualquer local do universo. Há também uma estrutura local que determina o comportamento que você vê quando amplia uma partícula. Tais campos são difíceis de simular no caso da dinâmica de partículas, onde as partículas fazem algo ao longo do tempo e você deseja criar algo como um filme disso. Dois computadores quânticos abordaram exatamente esta tarefa para duas versões altamente simplificadas dos campos quânticos que aparecem no Modelo Padrão da física de partículas.
Jad Halime Um médico da Universidade de Munique que trabalha neste campo, mas que não esteve envolvido em nenhuma das experiências, disse-me mesmo que uma versão mais poderosa destas experiências, simulando campos mais complexos em computadores quânticos maiores, poderia, em última análise, ajudar-nos a compreender o que as partículas fazem em colisores de partículas.
Três meses depois, eu estava ao telefone com duas outras equipes de pesquisa discutindo novamente os mesmos dois tipos de computadores quânticos. Computadores quânticos são usados atualmente na física da matéria condensada. Estudei física da matéria condensada na pós-graduação, então a física da matéria condensada é muito importante para mim, mas sua influência excede em muito as tendências deste colunista. Isto é particularmente importante para o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores, que é a base dos dispositivos do dia-a-dia, como os smartphones.
Em Setembro, investigadores da Universidade de Harvard e da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, utilizaram computadores quânticos para simular duas fases exóticas da matéria que foram previstas pela teoria, mas evitadas por experiências mais tradicionais. Os computadores quânticos provaram ser capazes de prever as propriedades desses materiais estranhos, algo que nunca foi possível antes através do cultivo e estudo de cristais em laboratório.
Espera-se que o novo computador quântico supercondutor do Google, “Willow”, entre em uso prático em outubro. Os pesquisadores da empresa e seus colegas usaram o Willow para executar algoritmos que podem ser usados para interpretar dados de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), uma técnica comumente usada para estudar moléculas em pesquisas bioquímicas.
Embora a demonstração da equipa utilizando dados reais de RMN não tenha feito nada que um computador convencional não pudesse fazer, a matemática do algoritmo promete um dia ultrapassar as capacidades das máquinas clássicas, permitindo aos investigadores aprender detalhes sem precedentes sobre as moléculas. A rapidez com que isso acontecerá dependerá do ritmo das melhorias no hardware de computação quântica.
Um mês depois, um terceiro tipo de computador quântico ganhou as manchetes. Uma empresa chamada Quantinuum mostrou que seu computador quântico Helios-1, feito de íons aprisionados, pode executar simulações de modelos matemáticos de condutividade elétrica perfeita, ou supercondutividade. Os supercondutores conduzem eletricidade sem perdas, abrindo as portas para uma eletrônica altamente eficiente e potencialmente tornando as redes elétricas mais sustentáveis. No entanto, todos os supercondutores conhecidos funcionam apenas sob alta pressão ou temperaturas criogênicas, o que os torna impraticáveis. Modelos matemáticos que revelam exatamente por que alguns materiais se tornam supercondutores serão um trampolim importante para a construção de supercondutores úteis.
O que o Helios-1 simulou? secador henrikOs pesquisadores do Quantinuum me disseram que é provavelmente o modelo mais importante. É algo que chama a atenção dos físicos desde a década de 1960. E embora esta simulação em particular não tenha fornecido quaisquer insights fundamentalmente novos sobre a supercondutividade, anunciou que os computadores quânticos são um participante valioso na longa busca dos físicos para melhor compreendê-los.
Apenas uma semana depois, eu estava ao telefone com outra pessoa. Sabrina Maniscalco Uma discussão sobre metamateriais da empresa de algoritmos quânticos Algorithmiq. Estes são materiais cujos mínimos detalhes podem ser manipulados para obter propriedades especiais não encontradas em materiais naturais. Eles também podem ser customizados para fins específicos, desde capas básicas de invisibilidade até componentes químicos que promovem reações.
Os metamateriais também foram desenvolvidos pela equipe de Maniscalco, com quem me envolvi quando era estudante de pós-graduação. Como simular Ele usa um computador quântico IBM feito de circuitos supercondutores. Especificamente, seria possível rastrear como os metamateriais embaralham as informações, inclusive em situações que seriam difíceis para os computadores tradicionais. Embora isso possa parecer uma configuração bastante abstrata, Maniscalco disse que poderia avançar na pesquisa sobre catalisadores químicos, baterias de estado sólido e certos dispositivos que convertem luz em eletricidade.
Como se a física de partículas, novas fases da matéria, pesquisas moleculares, supercondutores e metamateriais não bastassem, recebi esta dica ao delinear esta coluna: o estudo Uma equipe de pesquisa da Universidade de Maryland, nos EUA, e da Universidade de Waterloo, no Canadá, usou um computador quântico de íons aprisionados para investigar como as partículas mantidas unidas por forças nucleares fortes se comportam em diferentes temperaturas e densidades. Acredita-se que parte desse comportamento ocorra dentro de estrelas de nêutrons, objetos cósmicos pouco compreendidos, e que tenha ocorrido no universo primitivo.
Embora os cálculos quânticos dos pesquisadores incluíssem aproximações que não correspondem aos modelos mais realistas de forças fortes, o estudo fornece evidências para mais uma área da física onde os computadores quânticos estão ganhando força como máquinas de descoberta.
Na verdade, esta riqueza de exemplos também traz consigo uma série de advertências e pontos de interrogação. A maioria dos modelos matemáticos simulados em hardware quântico requer algum grau de simplificação e aproximação em comparação com os modelos mais realistas, a maioria dos computadores quânticos ainda são propensos a erros, exigindo pós-processamento de resultados computacionais para reduzir ou eliminar esses erros, e o problema de comparar os resultados dos computadores quânticos com o que os melhores computadores convencionais podem fazer permanece irritante.
Simplificando, os métodos tradicionais de computação e simulação são outro campo em que se registam progressos rápidos e promissores, e os investigadores da computação clássica e quântica estão sujeitos a um vaivém dinâmico em que os cálculos mais complexos ou mais rápidos de ontem se tornam os segundos classificados de amanhã. No mês passado, a IBM fez parceria com diversas outras empresas para lançar um serviço disponível publicamenterastreador de vantagem quânticaEm última análise, isso se tornará uma tabela de classificação mostrando onde os computadores quânticos estão liderando, ou não, em comparação com os computadores clássicos.
Mas mesmo que os computadores quânticos não cheguem ao topo da lista tão cedo, os relatórios do ano passado ainda transformaram meu conhecimento anterior em entusiasmo e expectativa. Isso ocorre porque esses experimentos efetivamente fizeram a transição dos computadores quânticos de objetos de pesquisa científica para ferramentas para fazer ciência de maneiras que eram impossíveis há apenas alguns anos.
No início deste ano, esperava escrever principalmente sobre experimentos de benchmark. Em experimentos de benchmark, os computadores quânticos executam protocolos que mostram sua natureza quântica, em vez de resolverem problemas úteis. Esses cálculos podem ajudar a destacar como os computadores quânticos diferem dos computadores clássicos e destacar o seu potencial para fazer coisas fundamentalmente novas. Mas o caminho a partir daí até cálculos úteis para os físicos em atividade parecia longo e nada óbvio. Agora, acho que o caminho pode ser mais curto do que pensava, embora com cautela. Tenho certeza de que mais surpresas quânticas me aguardam em 2026.
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