Software livre ajudará a acelerar a pesquisa quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/06/2023

Esta simulação mostra a densidade local de partículas portadoras de corrente em uma rede de vórtice mesoscópica de um material supercondutor.
[Imagem: Patric Holmvall]

Software quântico livre

As comunidades do software livre começam a se tornar atuantes também no campo ainda incipiente da computação quântica.

Na verdade, este campo promete ser ainda mais promissor para os programas de código aberto porque os físicos estão convencidos de que existem muito mais propriedades e aplicações quânticas úteis para explorar do que as que conhecemos hoje.

Acontece que os experimentos com materiais quânticos - materiais cujas propriedades ou comportamentos só podem ser explicados pela mecânica quântica - geralmente levam muitos anos para serem preparados e, infelizmente, produzem resultados difíceis de interpretar.

A principal ferramenta disponível então são os simuladores, a começar pelos simuladores em software. E é aí que a comunidade científica inteira pode se juntar para melhorar esses programas de simulação.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, lançou agora um software de código aberto e disponível gratuitamente que deverá acelerar significativamente a pesquisa no campo das pesquisas básicas e das tecnologias quânticas, batizado de SuperConga.

Esquema de funcionamento do simulador quântico em software.
[Imagem: P. Holmvall et al. - 10.1063/5.0100324]

Simulador quântico mesoscópico

O SuperConga é um programa de simulação e análise de partículas quânticas, permitindo fazer em software todas as combinações imagináveis de materiais. Com isto, os pesquisadores podem ir para a bancada de testes apenas quando tiverem em mãos materiais potencialmente mais promissores.

Embora já existam programas para simulações quânticas no nível microscópico ou no nível macroscópico, o SuperConga é o primeiro a trabalhar em escala mesoscópica, ou seja, na fronteira entre o quântico e o clássico.

Esta escala está na interface entre o mundo microscópico, ou seja, o nível atômico no qual as propriedades quânticas das partículas ainda podem ser utilizadas, e o mundo macroscópico, que mede objetos cotidianos em nosso mundo e que, diferentemente das partículas quânticas, estão sujeitos às leis da física clássica.

"Modelos extremamente simplificados, baseados na escala microscópica ou macroscópica, são frequentemente usados atualmente. Isso significa que eles não conseguem identificar toda a física importante ou que não podem ser usados na prática. Com este software gratuito, queremos tornar mais fácil para os outros acelerarem e melhorarem suas pesquisas quânticas, sem ter que reinventar a roda todas as vezes," disse o professor Tomas Lofwander.

Os simuladores quânticos estão facilitando a busca por tecnologias quânticas.
[Imagem: Dina Genkina/JQI]

Nível mesoscópico

O regime mesoscópico que pode ser simulado pelo SuperConga está na interface entre os regimes macroscópico e microscópico.

O regime macroscópico (normalmente dos micrômetros ou milímetros para cima) é o reino onde a física clássica domina, descrevendo objetos do cotidiano.

Isso contrasta com o regime microscópico, onde prevalece a física quântica, envolvendo objetos muito menores, como elétrons, átomos, fótons e outras partículas. As propriedades das partículas quânticas incluem coisas como estarem em dois lugares ao mesmo tempo (superposição), trocarem informações instantaneamente (entrelaçamento) ou serem perfeitamente condutoras (supercondutividade).

Os componentes mesoscópicos (normalmente dos micrômetros até os nanômetros) são tão pequenos que as propriedades quânticas podem ser acessadas e usadas, mas também são grandes o suficiente para que possam ser aplicados na prática.

Pesquisas em supercondutividade

O software é genérico, mas a equipe que o desenvolveu está utilizando-o em suas pesquisas sobre a supercondutividade.

Os principais computadores quânticos já operacionais trabalham com qubits supercondutores, os equipamentos de equipamento de ressonância magnética usam supercondutores, bem como os trens maglev. Mas o grande interesse está no desenvolvimento de supercondutores que funcionem na temperatura ambiente, o que pode revolucionar todo o setor de energia.

"Estamos especificamente interessados em supercondutores não convencionais, que são um enigma em termos de como eles funcionam e quais propriedades eles têm. Sabemos que eles têm algumas propriedades desejáveis, que permitem que a informação quântica seja protegida de interferências e flutuações. A interferência é o que atualmente nos limita de ter um computador quântico que possa ser usado na prática. E é aqui que a pesquisa básica em materiais quânticos é crucial se quisermos fazer algum progresso," disse Mikael Fogelstrom, membro da equipe.

O simulador SuperConga pode ser acessado no endereço https://gitlab.com/superconga/.

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