Pela primeira vez, pesquisadores prepararam com sucesso o estado de vácuo quântico de um modelo de física fundamental em até 100 qubits de computadores quânticos avançados da IBM , um marco que aproxima os cientistas da simulação de interações complexas de partículas que estão além do alcance dos supercomputadores convencionais.
A conquista, detalhada em um estudo publicado em 18 de abril na PRX Quantum , demonstra uma nova abordagem para a criação de circuitos quânticos escaláveis que podem modelar efetivamente aspectos do Modelo Padrão da física de partículas – a estrutura que descreve as forças e partículas fundamentais em nosso universo.
“Nossa esperança com esse tipo de pesquisa é entender nosso próprio sistema solar, a vida e nós mesmos em comparação a outros sistemas exoplanetários, para que possamos contextualizar nossa existência”, explica William Balmer, um dos pesquisadores envolvidos na aplicação de técnicas semelhantes de simulação quântica em outros contextos. “Queremos tirar fotos de outros sistemas solares e ver como eles são semelhantes ou diferentes quando comparados ao nosso. A partir daí, podemos tentar ter uma noção de quão estranho nosso sistema solar realmente é — ou quão normal”.
A equipe, liderada por pesquisadores como Roland Farrell, Marc Illa, Anthony Ciavarella e Martin Savage, desenvolveu o que eles chamam de “ circuitos escaláveis ADAPT-VQE” (SC-ADAPT-VQE), um novo algoritmo que aproveita os padrões regulares e a gama limitada de interações em sistemas físicos para preparar com eficiência estados quânticos em muitos qubits.
As abordagens tradicionais para a preparação do estado quântico frequentemente encontram obstáculos quando dimensionadas para sistemas maiores, tornando-as impraticáveis para os tipos de simulações que os físicos sonham em executar. O novo método navega habilmente em torno dessas limitações.
No centro da pesquisa está o modelo de Schwinger – uma versão simplificada da eletrodinâmica quântica em uma dimensão espacial. Embora menos complexo do que o Modelo Padrão completo, este sistema captura características essenciais como confinamento, onde partículas com certas propriedades não podem existir isoladamente – um fenômeno importante para entender como os quarks se combinam para formar partículas como prótons e nêutrons.
O que torna a abordagem da equipe especialmente poderosa é que eles primeiro determinaram os circuitos quânticos para sistemas pequenos usando computadores clássicos e depois demonstraram que esses circuitos poderiam ser sistematicamente ampliados para lidar com sistemas muito maiores em hardware quântico real.
Os pesquisadores implementaram com sucesso seus circuitos escaláveis nos processadores quânticos Eagle da IBM, testando sistemas com até 100 qubits – uma escala na qual a vantagem quântica sobre a computação clássica se torna cada vez mais relevante. A qualidade dos estados quânticos preparados foi verificada medindo várias propriedades físicas que correspondiam às previsões teóricas com precisão impressionante.
Para dar conta dos erros inevitáveis que ocorrem nos computadores quânticos barulhentos de hoje, a equipe desenvolveu uma nova técnica de mitigação de erros chamada “renormalização de decoerência do operador”. Essa abordagem aborda o fato de que diferentes qubits em um grande sistema experimentam diferentes níveis de ruído, exigindo métodos de compensação mais sofisticados do que os usados anteriormente.
Embora essa conquista marque um avanço significativo, os pesquisadores enfatizam que ainda há trabalho a ser feito antes que os computadores quânticos possam abordar toda a complexidade do Modelo Padrão ou simular colisões de partículas de alta energia, como as do Grande Colisor de Hádrons.
No entanto, a estrutura de circuito escalável que eles desenvolveram poderia ser potencialmente aplicada a outros sistemas com características físicas semelhantes, incluindo a cromodinâmica quântica (QCD) – a teoria da força nuclear forte que liga quarks e glúons em prótons e nêutrons.
As implicações vão além da física fundamental. Técnicas semelhantes podem ajudar a simular materiais complexos, reações químicas ou outros sistemas quânticos que desafiam abordagens de computação clássica.
“Esperamos que futuras simulações quânticas usando esses circuitos escaláveis superem as habilidades da computação clássica”, sugere a equipe de pesquisa em sua declaração à imprensa. “Essas simulações fornecerão insights sobre os mecanismos que governam a dinâmica das partículas fundamentais e do nosso universo”.
Governo Federal destina computadores a aldeias indígenas no Pará
O primeiro teletransporte do mundo, por computação quântica
Tais insights poderiam potencialmente abordar questões de longa data na física: Por que há mais matéria do que antimatéria no universo? Como as supernovas produzem elementos pesados? Quais são as propriedades da matéria nas densidades ultra-altas encontradas em estrelas de nêutrons?
À medida que os computadores quânticos continuam a avançar em tamanho e confiabilidade, técnicas como SC-ADAPT-VQE oferecem um caminho promissor para responder a essas questões fundamentais por meio da simulação quântica — potencialmente alcançando a vantagem quântica pela qual os pesquisadores vêm trabalhando há décadas.
Você precisa fazer login para comentar.