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Inédito: Primeiro teste comparativo de computadores quânticos

Inédito: Primeiro teste comparativo de computadores quânticos
Um simulador quântico permite essencialmente "pilotar" átomos para ver como as partículas quânticas se comportam.[Imagem: Andrew Sproles/ORNL]

Simulação quântica de átomos

Em 2010, uma equipe da Austrália simulou uma molécula de hidrogênio (H2) em um sistema quântico pela primeira vez.

No ano passado, cientistas da IBM realizaram os primeiros cálculos quânticos de moléculas além do hidrogênio e do hélio.

Agora, uma equipe do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA, tornou-se a primeira a simular com sucesso um núcleo atômico usando um computador quântico.

E eles fizeram mais que isso.

Usando o software de código aberto pyQuil, uma biblioteca projetada para elaborar programas na linguagem de instrução quântica, Eugene Dumitrescu e seus colegas escreveram um código genérico que foi enviado primeiro para um simulador quântico e, depois, para os sistemas IBM QX5 e Rigetti 19Q, dois processadores quânticos que estão disponíveis aos pesquisadores pela internet.

Com isto, a equipe realizou o primeiro comparativo de computadores quânticos, comparando as taxas de erro e a confiabilidade dos dois sistemas.

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Os simuladores quânticos já estão permitindo estudos impensáveis há alguns anos - muito mais deverá vir quando essas simulações puderem rodar em computadores quânticos reais. [Imagem: IQOQI/Harald Ritsch]

Energia de ligação

O teste consistiu em simular nos dois processadores quânticos mais de 700.000 medições da energia de um deuteron, o estado nuclear de um próton e um nêutron. O deutério é um dos isótopos do hidrogênio que perdeu seu único elétron, o que o torna o núcleo atômico composto mais simples, um candidato ideal para essas primeiras simulações.

A partir dessas medições, a equipe extraiu a energia de ligação do deutério - a quantidade mínima de energia necessária para desmontá-lo em suas partículas subatômicas (próton e nêutron).

"Qubits são versões genéricas de sistemas quânticos de dois estados. Eles não têm propriedades de um nêutron ou próton para começar. Nós podemos mapear essas propriedades em qubits e usá-los para simular fenômenos específicos - neste caso, a energia de ligação," detalhou o professor Pavel Lougovski, coordenador da equipe.

É claro que lidar com essa tecnologia emergente está muito longe da simplicidade de rodar um programa em um computador eletrônico.

"Esses sistemas são realmente suscetíveis ao ruído. Se partículas estão chegando e atingindo o computador quântico, isso pode de fato distorcer suas medições. Esses sistemas não são perfeitos, mas trabalhando com eles podemos obter uma melhor compreensão dos erros intrínsecos," acrescentou o pesquisador Gustav Jansen.

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O comparativo precisou levar em conta a forma diferente como bits e qubits se comportam. [Imagem: APS/Alan Stonebraker]

Decepção quântica

No final dos testes, os resultados em dois e três qubits ficaram dentro de 2% e 3%, respectivamente, da resposta correta obtida em um computador clássico. Ou seja, não dá para falar em um ganhador nesse primeiro comparativo entre computadores quânticos.

Mesmo sabendo-se dos problemas de suscetibilidade dos processadores quânticos ao ruído, o resultado é claramente decepcionante. Mas é preciso ressaltar que estes processadores quânticos disponíveis pela internet não são o estado da arte e nem mesmo as melhores versões construídas pelas respectivas equipes - a IBM, por exemplo, já fala em lançar um computador quântico comercial a médio prazo.

De qualquer forma, este experimento tornou-se a primeira simulação quântica de um núcleo atômico, uma prova de princípio importante para simular núcleos mais pesados e mais complexos, com muito mais prótons e nêutrons.

A esperança é que hardware aprimorados permitam no futuro resolver problemas que não podem ser resolvidos pelos computadores clássicos - nem mesmo pelos supercomputadores. Cálculos quânticos de núcleos atômicos complexos podem, por exemplo, desvendar detalhes importantes sobre as propriedades da matéria, incluindo a formação dos elementos pesados, que se acredita serem formados no núcleo das estrelas, mas por processos ainda longe de serem compreendidos.

Bibliografia:

Cloud Quantum Computing of an Atomic Nucleus
Eugene F. Dumitrescu, A. J. McCaskey, G. Hagen, G. R. Jansen, T. D. Morris, T. Papenbrock, R. C. Pooser, D. J. Dean, P. Lougovski
Physical Review Letters
Vol.: 120, 210501
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.210501




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