Simulador quântico analógico-digital alcança precisão sem precedentes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/03/2025

O simulador combina evolução analógica com portas digitais.
[Imagem: T. I. Andersen et al. - 10.1038/s41586-024-08460-3]

Simulador quântico

Quando precisamos entender como duas substâncias se misturam - sejam dois reagentes na indústria química, dois metais fundidos na indústria metalúrgica ou componente exóticos para criar novos materiais - precisamos primeiro simular como isso acontece usando computadores. Essas simulações permitem ir variando continuamente as condições da mistura, de modo a obter as melhores condições e o melhor rendimento para o produto que queremos obter.

Só tem um problema: Mesmo os supercomputadores mais rápidos são incapazes de realizar os cálculos necessários com a precisão necessária porque os processos físicos e moleculares envolvidos são extremamente complexos, sobretudo porque átomos e moléculas interagem seguindo as regras da mecânica quântica.

Em 1982, o famoso físico Richard Feynman sugeriu que a solução para isso só viria no futuro distante, quando conseguíssemos construir computadores quânticos, que poderiam simular os processos físicos quânticos diretamente porque seus próprios bits seriam bits quânticos, portanto comportando-se exatamente como as partículas quânticas que queremos simular - é a coisa real funcionando, e não as equações que as representam.

Agora esse futuro chegou, e o rápido desenvolvimento dos computadores quânticos permitiu criar os primeiros simuladores quânticos.

Feynman só não previu uma coisa: Os computadores digitais são muito bons, mas a natureza não é digital, é analógica, então simuladores quânticos que fiquem restritos ao binário não são tão úteis quanto se pensava.

Mas a solução já está a caminho: Uma equipe de universidades de cinco países e da empresa Google acaba de construir e testar com sucesso um novo tipo de simulador, um simulador quântico analógico-digital.

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Transporte de energia e dinâmica da termalização usando estados iniciais entrelaçados.
[Imagem: T. I. Andersen et al. - 10.1038/s41586-024-08460-3]

Combinando analógico e digital

Embora os computadores quânticos puramente digitais, como os feitos pela IBM, Microsoft e Google, já sejam muito poderosos, seu potencial como simuladores quânticos ainda é limitado. Isso porque os computadores quânticos digitais realizam suas operações usando portas quânticas universais, semelhantes às portas lógicas dos computadores clássicos.

Já o novo processador quântico tem uma diferença fundamental: Seus 69 bits supercondutores (qubits) permitem modos de operação digitais e analógicos. A diferença é que, graças à superposição mecânica quântica, os qubits podem não apenas assumir os estados 0 e 1, mas também uma infinidade de estados intermediários. Com isso, eles podem fazer a simulação direta de processos físicos, modelando realisticamente as interações entre as diferentes partículas.

Assim, um simulador quântico analógico-digital representa um marco porque o sistema calcula processos físicos com precisão sem precedentes. Além disso, seu conceito também é particularmente flexível, o que significa que ele pode ser aplicado a muitos problemas diferentes, da física do estado sólido à astrofísica.

Para combinar o analógico com o digital, primeiro são definidas condições iniciais discretas (não contínuas), como introduzir calor em um sólido - este é o modo digital. Isso permite que as condições iniciais sejam definidas de forma precisa e flexível.

Imagine, como exemplo, que estejamos tentando estudar como o leite se mistura com o café: O modo digital do simulador quântico equivale a simular uma jarra despejando gotas de leite de uma maneira específica e controlada em cem lugares diferentes da xícara de café, tudo ao mesmo tempo.

Vem então o modo analógico, o processo subsequente pelo qual o leite se espalha no café em cada ponto, tudo progredindo suavemente ponto por ponto, sem os "trancos" do digital. A interação entre os qubits simula a dinâmica física, como a propagação do calor ou a formação de domínios magnéticos, como ocorre nos sólidos.

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Esquema das vias de acoplamento no simulador.
[Imagem: T. I. Andersen et al. - 10.1038/s41586-024-08460-3]

Simulador quântico universal

A termalização - o processo de atingir o equilíbrio térmico - é apenas uma das muitas perguntas interessantes que podem ser respondidas usando o novo simulador quântico.

Na verdade, o conceito demonstrado por este protótipo abre caminho para um simulador quântico universal, podendo ser usado em uma ampla gama de diferentes áreas da física. Ele supera as capacidades dos simuladores quânticos analógicos fabricados até agora, já que cada um dos exemplares já fabricado foi construído com capacidade para analisar apenas um problema físico específico.

As aplicações são amplas, mas se destaca o desenvolvimento de novos materiais, como novos materiais magnéticos, supercondutores de alta temperatura e até mesmo medicamentos com ação mais direcioanda e com menos efeitos colaterais.

Simuladores quânticos estão sendo desejados até mesmo na astrofísica. Um exemplo é o chamado paradoxo da informação, que afirma que nenhuma informação pode ser perdida na física quântica. No entanto, os astrofísicos acreditam que buracos negros de fato destroem informações sobre sua formação. Novos tipos de simuladores quânticos poderão esclarecer a situação.

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