Ilustração 3D do computador quântico
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Apesar de todo o entusiasmo em torno dos computadores quânticos, a tecnologia às vezes pode parecer uma solução para um problema. Embora isso seja ótimo cientificamente, ainda é claramente inútil no mundo real. Mas a exploração de aplicações começa agora a dar frutos. Em particular, a busca por materiais quânticos exóticos que tenham potencial para acelerar o desenvolvimento de novos produtos eletrônicos e de sistemas de computação ainda mais poderosos.
A descoberta e exploração de novas fases, fases mais exóticas que correspondem às fases gelada ou líquida da água, é uma pedra angular da física da matéria condensada. O campo está nos ajudando a compreender os semicondutores que fazem os computadores convencionais funcionarem e podem eventualmente levar a supercondutores práticos que conduzem eletricidade com eficiência perfeita.
No entanto, está se tornando cada vez mais difícil usar experimentos tradicionais para estudar alguns dos estágios mais complexos que a teoria prevê que existam. Por exemplo, uma estrutura teórica conhecida como Modelo Kitayev Honeycomb prevê a existência de materiais que exibem tipos incomuns de magnetismo e que contêm quasipartículas incomuns (entidades semelhantes a partículas) conhecidas como anyons. Na verdade, ele diz que houve uma “busca de uma década para realmente projetar isso com materiais do mundo real”. Simon Evered na Universidade de Harvard.
Ele e seus colegas simularam isso agora usando um computador quântico com 104 qubits feitos de átomos extremamente frios. E eles não são os únicos pesquisadores a fazer isso. pesquisador franco e seus colegas da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, usaram os computadores quânticos Sycamore e Willow do Google, que abrigam 72 e 105 qubits supercondutores, respectivamente, para simular um estado da matéria nunca antes visto, também derivado de uma versão do modelo de favo de mel de Kitaev. Ambas as equipes apresentaram os resultados de suas pesquisas.
“Esses dois artigos usam computadores quânticos para explorar novas fases da matéria que antes eram previstas apenas em teoria e inatingíveis em experimentos.” Petr Zapertal da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha, mas não esteve envolvido em nenhum dos estudos. “O que é interessante é a rapidez com que as simulações de sistemas quânticos e de matéria condensada em computadores quânticos estão progredindo.”
Ambas as equipes de pesquisa confirmaram a existência de anyons por meio de simulações. Isto por si só demonstra o progresso dos computadores quânticos e a sua eventual utilidade. Isso ocorre porque anyons são partículas exóticas fundamentalmente diferentes dos qubits e, portanto, difíceis de emular.
Todas as outras partículas existentes se enquadram em duas categorias: férmions e bósons. Os mais interessantes para químicos e cientistas de materiais são geralmente férmions, mas qubits tendem a ser bósons. As diferenças entre os dois, como o spin e o comportamento em grandes grupos, tornam a simulação de férmions difícil quando se inicia com bósons, mas experimentos de computador quântico com átomos frios usaram o modelo de Kitaev para preencher a lacuna. Marcin Kalinowski Os professores de Harvard que trabalharam no experimento dizem que usaram o modelo de Kitaev como uma “tela” para a nova física. Começando com este modelo, ele e seus colegas conseguiram ajustar as quasipartículas que aparecem na simulação, ajustando as interações entre os qubits. Além disso, pode ser possível usar algumas destas novas partículas para simular materiais mais novos, diz Kalinowski.
A experiência computacional do Google incluiu outro elemento importante. Seu foco era tirar o material simulado do equilíbrio. Isto é o mesmo que agitar constantemente o material. As fases de desequilíbrio da matéria são pouco compreendidas, disse Pohlman, apesar de terem contrapartes no laboratório, como em experimentos onde os materiais são repetidamente bombardeados com luz laser. Dessa forma, o trabalho de sua equipe reflete como os físicos da matéria condensada em laboratório expõem os materiais a baixas temperaturas ou a altos campos magnéticos e tentam diagnosticar como suas fases mudam. Esses diagnósticos são muito importantes porque podem revelar em quais situações o material pode ser utilizado.
Para ser claro, esses experimentos não levarão imediatamente a nada de útil. Na verdade, para alcançar aplicações do mundo real, os investigadores precisariam de repetir a análise num computador quântico maior e menos sujeito a erros, do tipo que ainda não existe. Mas as duas experiências abrem um nicho no qual os computadores quânticos podem explorar a física e potencialmente levar a descobertas, de uma forma semelhante a outras ferramentas experimentais que os investigadores têm usado durante décadas.
Não é nenhuma surpresa que a ciência dos materiais possa ser o primeiro lugar onde os computadores quânticos provam o seu valor. Isto é consistente com a forma como os pioneiros da computação quântica, como Richard Feynman, falaram sobre a tecnologia na década de 1980. Na época, ninguém sabia como criar um único qubit, muito menos dezenas. E isso é muito diferente de como a computação quântica é frequentemente apresentada. O foco está em experimentos que demonstram que os computadores quânticos podem superar os computadores clássicos em tarefas não relacionadas às aplicações do mundo real.
“Há um valor indiscutível neste tipo de experimento, não apenas do ponto de vista do desempenho de dispositivos individuais, mas também do ponto de vista do desenvolvimento da computação quântica como uma abordagem à ciência”, disse Kalinowski.
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