Simulador quântico permite pilotar átomos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/04/2012

Um simulador quântico permite testar os materiais nas mesmas regras e condições da física à qual eles estão sujeitos, a física quântica.
[Imagem: Britton/NIST/Nature]

Simuladores clássicos

Pouco mais de um ano depois do lançamento do primeiro simulador quântico, essa ferramenta cujo desenvolvimento se faz cada vez mais imprescindível, teve seu poder multiplicado por 10, atingindo níveis práticos de utilização.

Quando os cientistas querem estudar materiais ou fenômenos, do dobramento das proteínas à formação das estrelas e galáxias, eles constroem simuladores.

São programas de computador que partem das leis fundamentais da física ou da química para reproduzir o objeto de estudo de forma virtual.

Eles permitem, por exemplo, que diversas teorias sejam testadas, aferindo os resultados do computador com as observações experimentais.

Mas, mais importante, os simuladores produzem, em uma questão horas ou dias, opções para a sintetização de novos materiais, ou de novos medicamentos, que seriam impossíveis de obter testando composto por composto no laboratório.

Simuladores quânticos

Mas tudo é diferente com a mecânica quântica, simplesmente porque as leis que governam o mundo quântico são absolutamente bizarras quando comparadas com as leis que governam o nosso mais comportado "mundo clássico".

No nosso dia-a-dia, coisas não atravessam paredes, não ocupam dois lugares ao mesmo tempo e não se influenciam mutuamente mesmo se uma delas estiver aqui na Terra e outra no outro lado da galáxia.

Tudo isso é natural no mundo quântico, onde esses fenômenos recebem nomes como tunelamento, superposição e entrelaçamento.

Ocorre que não dá para simular esses eventos com um programa clássico rodando em um computador clássico - é até possível simular algo com até 30 átomos, mas não dá para ir além disso.

Para isso é necessário construir um simulador quântico, um sistema que teste os chamados sistemas quânticos nas mesmas regras e condições da física à qual eles estão sujeitos, a física quântica.

Desta forma será possível descobrir os meandros do funcionamento dos transistores, dos supercondutores, da fotossíntese, enfim, de todos os processos que se dão em uma escala onde os personagens são moléculas, átomos ou mesmo partículas subatômicas.

E esse é o cenário permanente no mundo das nanociências e das nanotecnologias.

Com um simulador quântico de 350 qubits será possível obter 10¹⁰⁰ estados diferentes.
[Imagem: Britton/NIST]

Simulador quântico na prática

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST), dos Estados Unidos, deram agora um passo decisivo no caminho do desenvolvimento desses simuladores quânticos.

Joseph Britton e seus colegas construíram um simulador quântico que consegue acompanhar a interação entre centenas de partículas, representadas por bits quânticos.

O dispositivo foi testado e mostrou-se capaz de simular processos essenciais na ciência dos materiais, que procura desenvolver novos materiais mais leves, mais fortes e mais duráveis através da manipulação dos componentes em escala molecular.

O simulador consiste de uma minúscula chapa de cristal, com menos de 1 milímetro de diâmetro, contendo centenas de íons de berílio, e flutuando no interior de um dispositivo chamado armadilha de Penning.

A camada mais externa de elétrons de cada íon funciona como um minúsculo ímã quântico, cuja magnetização representa o equivalente de um 0 ou um 1 de um computador clássico - com a diferença de que esses qubits se comportam como partículas quânticas verdadeiras, com todas as suas estranhas e inusitadas interações.

Pilotando átomos

O aumento do número de qubits aumenta a capacidade do simulador quântico exponencialmente. Por exemplo, com um simulador quântico de 350 qubits será possível obter 10¹⁰⁰ estados diferentes.

Para isso, pulsos de micro-ondas e raios laser são usados para fazer com que os qubits interajam entre si, de forma controlada e seletiva, imitando o comportamento de materiais de uma forma impossível de fazer em laboratório.

Embora os átomos do simulador sejam muito diferentes dos átomos de cada material estudado, os qubits são controlados de tal forma que o comportamento de ambos seja matematicamente idêntico.

Desta forma, os simuladores quânticos permitem que os cientistas variem parâmetros que não podem ser alterados em sólidos naturais, como o espaçamento ou a geometria da estrutura atômica, assim como os efeitos da inserção de átomos diferentes, os chamados dopantes, nessa estrutura.

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