Novo projeto leva simuladores quânticos a um novo patamar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/03/2024

Ilustração de um simulador quântico com átomos presos em uma rede formada por lasers. As pequenas esferas nos cantos são átomos em seu estado de energia mais baixo. Os que estão dentro de uma esfera azul são excitados (com maior energia) pelo primeiro laser, os que estão dentro das esferas amarelas são excitados pelo segundo laser (ainda com mais energia).
[Imagem: TU Delft]

Simuladores quânticos

Físicos estão propondo uma nova arquitetura para um simulador quântico, um parente simplificado dos computadores quânticos que já vem mostrando seu valor ao permitir simular em laboratório fenômenos quânticos diretamente - o que é diferente e muito melhor do que simular esses fenômenos usando programas de computador.

A professora Natalia Chepiga, da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, desenvolveu um guia para dar um "upgrade" nessas máquinas, tornando-as capazes de simular sistemas quânticos ainda mais complexos.

Isso é importante porque, assim como os atuais computadores quânticos só conseguem rodar programas muito simples, os simuladores quânticos ainda não conseguem lidar com muitas complexidades do mundo real.

"Um ingrediente chave de um simulador quântico útil é a possibilidade de controlá-lo ou manipulá-lo. Imagine um carro sem volante. Ele só pode avançar, mas não pode virar. Seria ele útil? Somente se você precisar ir em uma direção específica, caso contrário a resposta será 'não!'.

"Se quisermos criar um computador quântico que seja capaz de descobrir novos fenômenos físicos em um futuro próximo, precisamos construir um 'volante' para ajustar o que parece interessante. No meu artigo, eu proponho um protocolo que cria um simulador quântico totalmente controlável," disse Chepiga.

Os simuladores quânticos já estão simulando ligações químicas.
[Imagem: Harald Ritsch/IQOQI Innsbruck]

Simular novas dimensões

O que a pesquisadora chama de protocolo é uma receita, um conjunto de ingredientes que um simulador quântico deve ter para ser ajustável.

Na configuração convencional de um simulador quântico, os átomos de rubídio (Rb) ou césio (Cs) são direcionados por um único laser. Como resultado, estas partículas absorverão elétrons e, assim, tornar-se-ão mais energéticas; no jargão da física, elas ficam excitadas. "Mostro que, se utilizarmos dois lasers com frequências ou cores diferentes, excitando assim estes átomos para estados diferentes, poderemos sintonizar os simuladores quânticos para muitas configurações diferentes," explica Chepiga.

Em termos simples, o protocolo oferece a possibilidade de simular uma dimensão adicional. "Imagine que você viu um cubo apenas como um esboço em um pedaço de papel plano, mas agora você tem um cubo 3D real que pode tocar, girar e explorar de diferentes maneiras," detalhou Chepiga. "Teoricamente podemos adicionar ainda mais dimensões trazendo mais lasers."

Um simulador quântico permite estudar os próprios átomos no espaço e no tempo.
[Imagem: Dina Genkina/JQI]

Simular reproduzindo a realidade

A expectativa é que a receita permita levar os simuladores quânticos a um novo patamar.

"O comportamento coletivo de um sistema quântico com muitas partículas é extremamente difícil de simular," explicou Chepiga. "Além de algumas dezenas de partículas, a modelagem com nosso computador normal ou supercomputador depende de aproximações."

Ao tentar levar em conta a interação de mais partículas, suas temperaturas e movimentos, a tarefa fica simplesmente fora do alcance mesmo dos supercomputadores mais potentes que se pode imaginar.

Por outro lado, em um simulador quântico você pode simplesmente reproduzir um análogo do sistema, deixando que a própria mecânica quântica lhe mostre como a natureza se desenrola.

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