Simulador imita molécula e simplifica computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/07/2022

Impressão artística do simulador quântico, onde cada ponto quântico imita um átomo da molécula.
[Imagem: SQC]

Simulador quântico de silício

Físicos australianos construíram um simulador quântico em escala atômica para simular o comportamento de uma molécula orgânica, resolvendo um desafio lançado há cerca de 60 anos pelo famoso teórico Richard Feynman, tido por muitos como o "fundador" da nanotecnologia.

O simulador, que é uma espécie mais específica de processador quântico, imita a estrutura e os estados de energia do composto orgânico poliacetileno, uma cadeia repetitiva de átomos de carbono e hidrogênio caracterizada pela alternância de ligações simples e duplas de carbono.

"Se você voltar para a década de 1950, Richard Feynman disse que você não pode entender como a natureza funciona a menos que você possa construir matéria na mesma escala de comprimento. E é isso que estamos fazendo, estamos literalmente construindo de baixo para cima, onde estamos imitando a molécula de poliacetileno colocando átomos em silício com as distâncias exatas que representam as ligações carbono-carbono simples e duplas," detalhou a professora Michelle Simmons, da Universidade de Nova Gales do Sul.

Para imitar a molécula, a equipe construiu um circuito integrado composto por uma cadeia de 10 pontos quânticos, para simular a localização precisa dos átomos na cadeia de poliacetileno.

O circuito demonstra a capacidade de se controlar estados quânticos de elétrons e átomos no silício em um nível nunca antes alcançado, um marco importante na corrida para construir o primeiro processador quântico de silício do mundo.

Visualização artística (em cima) e a coisa real (embaixo), o hardware onde a molécula foi simulada com precisão.
[Imagem: M. Kiczynski et al. - 10.1038/s41586-022-04706-0]

Simulador de molécula

O experimento consistiu em medir a corrente elétrica através da matriz de 10 pontos quânticos que simulam os átomos da molécula de poliacetileno, à medida que cada novo elétron passava da saída da fonte do dispositivo para o dreno - a outra extremidade do circuito.

Para ter certeza de que o simulador quântico produzia os resultados corretos, a equipe fez uma dupla checagem simulando duas cadeias de polímeros diferentes.

No primeiro teste eles cortaram um trecho da cadeia para deixar ligações duplas no final, dando 10 picos na corrente. No segundo, eles cortaram um trecho diferente da cadeia para deixar ligações simples no final, dando origem a apenas dois picos na corrente. A corrente que passa por cada cadeia era, portanto, dramaticamente diferente devido aos diferentes comprimentos de ligação dos átomos no final da cadeia.

As medições não apenas coincidiram com as previsões teóricas, como combinaram perfeitamente.

"O que isto está mostrando é que você pode literalmente imitar o que realmente acontece na molécula real. E é por isso que é emocionante, porque as assinaturas das duas cadeias são muito diferentes.

"A maioria das outras arquiteturas de computação quântica por aí não tem a capacidade de projetar átomos com precisão subnanométrica ou permitir que os átomos fiquem tão próximos.

"E isso significa que agora podemos começar a entender moléculas cada vez mais complicadas colocando os átomos no lugar como se eles estivessem imitando o sistema físico real," explicou a professora Simmons.

A equipe, junto do equipamento onde o simulador quântico funciona.
[Imagem: SQC]

Computador quântico mais simples

Outra característica marcante do experimento é a simplicidade da arquitetura do novo simulador quântico.

Normalmente é necessário algo que crie os qubits, algum tipo de estrutura no dispositivo que permita formar o estado quântico.

"No nosso sistema, os próprios átomos criam os qubits, exigindo menos elementos nos circuitos. Nós precisamos de apenas seis portas metálicas para controlar os elétrons em nosso sistema de 10 pontos - em outras palavras, temos menos portas do que componentes ativos no dispositivo. Para comparação, a maioria das arquiteturas de computação quântica precisa quase o dobro ou mais de sistemas de controle para mover os elétrons na arquitetura qubit," explicou Simmons.

A necessidade de menos componentes minimiza as interferências com os estados quânticos, diminui a ocorrência de erros e permite que os dispositivos sejam dimensionados para criar sistemas quânticos mais complexos e mais poderosos.

Salto para o desconhecido

A equipe não escolheu por acaso uma cadeia de carbono de 10 átomos: Ela foi escolhida porque está dentro do limite de tamanho que um computador clássico é capaz de calcular, com até 1024 interações individuais de elétrons nesse sistema.

Subir para uma cadeia de 20 pontos faria o número de interações possíveis aumentar exponencialmente, dificultando a resolução por um computador clássico.

"Estamos perto do limite do que os computadores clássicos podem fazer, então é como saltar da borda [do penhasco] para o desconhecido," disse Simmons. "E isso é o que é emocionante, nós agora podemos fazer dispositivos maiores que estão além do que um computador clássico pode modelar. Assim, podemos olhar para moléculas que nunca foram simuladas antes. Estamos prestes a ser capazes de entender o mundo de uma maneira diferente, abordando questões fundamentais que nunca fomos capazes de resolver antes."

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