Computadores quânticos podem nos ajudar a entender como os objetos quânticos se comportam
Galina Nelyubova/Unsplash
No ano passado, continuei trazendo a mesma história ao meu editor: os computadores quânticos estão prestes a se tornar úteis para a descoberta científica.
Claro, esse sempre foi o objetivo. A ideia de usar computadores quânticos para compreender melhor o nosso universo faz parte da sua história de origem, e até apareceu num 1981 discurso de Richard Feynman. Contemplando a melhor maneira de simular a natureza, ele escreveu: “Podemos desistir de nossa regra sobre o que era o computador, podemos dizer: deixe o próprio computador ser construído com elementos da mecânica quântica que obedecem às leis da mecânica quântica”.
Hoje, a visão de Feynman foi concretizada por Google, IBM e dezenas de outras empresas e equipes acadêmicas. Seus dispositivos estão agora sendo usados para simular a realidade em nível quântico – e aqui estão alguns destaques.
Para mim, os desenvolvimentos quânticos deste ano começaram com dois estudos que chegaram à minha mesa em junho, tratando de física de partículas de alta energia. Duas equipes de pesquisa distintas usaram dois computadores quânticos muito diferentes para simular o comportamento de pares de partículas em campos quânticos. Um deles usava o chip Sycamore do Google, feito de minúsculos circuitos supercondutores controlados por microondas, e o outro usava um chip produzido pela empresa de computação quântica QuEra, baseado em átomos extremamente frios controlados com lasers e forças eletromagnéticas.
Os campos quânticos codificam como uma força, como a força eletromagnética, agiria sobre uma partícula em qualquer posição do universo. Eles também têm uma estrutura local que determina os comportamentos que você deve observar se ampliar qualquer partícula. Tais campos são difíceis de simular no caso da dinâmica de partículas – quando a partícula está fazendo algo ao longo do tempo e você quer fazer algo como um filme dela. Para duas versões muito simplificadas de campos quânticos que aparecem no modelo padrão da física de partículas, os dois computadores quânticos abordaram exatamente essa tarefa.
Jad Halimeh da Universidade de Munique, que trabalha na área, mas não esteve envolvido em nenhum dos experimentos, até me disse que uma versão mais robusta desses experimentos, simulando campos mais complexos em computadores quânticos maiores, poderia eventualmente nos ajudar a entender o que as partículas fazem dentro dos colisores de partículas.
Três meses depois, eu estava ao telefone com duas outras equipes de pesquisadores, discutindo novamente os mesmos dois tipos de computadores quânticos, que agora haviam sido colocados a serviço da física da matéria condensada. A física da matéria condensada é muito importante porque a estudei na pós-graduação, mas seu impacto vai muito além das tendências deste colunista. Tem sido particularmente crítico para o desenvolvimento das tecnologias de semicondutores que estão na base dos dispositivos do dia-a-dia, como os smartphones.
Em setembro, pesquisadores da Universidade de Harvard e da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, usaram computadores quânticos para simular duas fases exóticas da matéria que haviam sido previstas em teoria, mas que escaparam de experimentos mais tradicionais. Os computadores quânticos provaram ser adeptos da previsão das propriedades destes materiais estranhos, algo que o cultivo e a sondagem de cristais em laboratório não conseguiram até agora.
Outubro trouxe a perspectiva de uma utilização prática para um novo computador quântico supercondutor do Googlechamado Salgueiro. Os pesquisadores da empresa e seus colegas usaram Willow para executar um algoritmo que pode ser usado para interpretar dados de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), que é uma técnica comumente usada para estudar moléculas em pesquisas bioquímicas.
Embora a demonstração da equipa com dados reais de RMN não tenha feito nada que um computador tradicional não pudesse fazer, a matemática do algoritmo promete um dia exceder as capacidades das máquinas clássicas, permitindo aos investigadores aprender detalhes sem precedentes sobre as moléculas. A rapidez com que isso se confirma depende do ritmo com que o hardware da computação quântica melhora.
Um mês depois, um terceiro tipo de computador quântico entrou na conversa. Uma empresa chamada Quantinuum mostrou que seu Computador quântico Helios-1 feitos de íons aprisionados podem executar simulações de um modelo matemático para condutividade elétrica perfeita ou supercondutividade. Como conduzem eletricidade sem quaisquer perdas, os supercondutores podem abrir a porta para uma eletrônica extremamente eficiente ou até mesmo tornar a rede elétrica mais sustentável. No entanto, todos os supercondutores conhecidos funcionam apenas sob alta pressão ou temperatura extremamente baixa, o que os torna impraticáveis. Um modelo matemático que revela exatamente por que alguns materiais supercondutores seriam um trampolim crucial para a construção de supercondutores úteis.
Helios-1 simulou o que Secador Henrikpesquisador da Quantinuum, me disse que é possivelmente o modelo mais importante; aquele que prende a atenção dos físicos desde 1960. E embora esta simulação específica não tenha oferecido nenhuma visão radicalmente nova sobre a supercondutividade, ela anunciou os computadores quânticos como atores valiosos na longa busca dos físicos para entendê-los melhor.
Apenas uma semana depois, recebi uma ligação com Sabrina Maniscalco da empresa de algoritmos quânticos Algorithmiq, discutindo metamateriais. Estes são materiais cujos detalhes microscópicos podem ser projetados para terem propriedades especiais que os materiais naturais não possuem. Eles também podem ser feitos sob medida para alguns propósitos específicos, desde capas de invisibilidade rudimentares até ingredientes químicos que podem acelerar reações.
Metamateriais também são algo em que me envolvi quando era estudante de pós-graduação, e a equipe de Maniscalco elaborou como simular um usando um computador quântico IBM feito de circuitos supercondutores. Especificamente, eles poderiam rastrear como um metamaterial embaralha informações, inclusive em regimes onde um computador mais convencional pode ter dificuldades. Embora isso possa parecer uma configuração bastante abstrata, Maniscalco me disse que poderia avançar na pesquisa sobre catalisadores químicos, bem como baterias de estado sólido e certos dispositivos que convertem luz em eletricidade.
Como se não bastassem física de partículas, novas fases da matéria, investigações moleculares, supercondutores e metamateriais, enquanto descrevia esta coluna recebi uma dica sobre um estudo onde uma equipe de pesquisadores da Universidade de Maryland, nos EUA, e da Universidade de Waterloo, no Canadá, usou um computador quântico de íons aprisionados para determinar como as partículas ligadas pelo força nuclear forte comportam-se em diferentes temperaturas e densidades. Acredita-se que parte desse comportamento ocorra dentro de estrelas de nêutrons, que são objetos cósmicos mal compreendidose também ter ocorrido no universo primitivo.
Embora o cálculo quântico da equipe envolvesse aproximações que não correspondem aos modelos mais realistas da força forte, o estudo defende mais um campo da física onde os computadores quânticos estão em ascensão como máquinas de descoberta.
Certamente, esta abundância de exemplos também vem acompanhada de uma abundância de advertências e pontos de interrogação. A maioria dos modelos matemáticos que foram simulados em hardware quântico exigem um certo número de simplificações e aproximações em comparação com os mais realistas, a maioria dos computadores quânticos ainda são tão propensos a erros que exigem que os resultados de seus cálculos sejam pós-processados para mitigar ou remover esses erros, e a questão de comparar os resultados dos computadores quânticos com o que os melhores computadores convencionais podem fazer permanece espinhosa.
Simplificando, os métodos tradicionais de computação e simulação são outra área onde o progresso tem sido rápido e encorajador, colocando os pesquisadores de computação clássica e quântica em um vaivém dinâmico, onde a computação mais complexa ou mais rápida de ontem inevitavelmente se tornará a segunda colocada de amanhã. No mês passado, a IBM até fez parceria com várias outras empresas para lançar um “rastreador de vantagem quântica”, que eventualmente se tornará uma tabela de classificação mostrando onde os computadores quânticos estão à frente de seus equivalentes convencionais – ou não.
Mas mesmo que os computadores quânticos não cheguem ao topo da lista tão cedo, os relatórios do ano passado ainda mudaram meus antecedentes para entusiasmo e expectativa. Isso ocorre porque esses experimentos efetivamente fazem com que os computadores quânticos deixem de ser objeto de estudo científico e se tornem ferramentas para fazer ciência de uma forma que era impossível há apenas alguns anos.
No início deste ano, eu esperava escrever principalmente sobre experimentos de benchmarking, onde computadores quânticos executam protocolos que mostram sua natureza quântica, em vez de resolver quaisquer problemas úteis. Tais cálculos servem frequentemente para realçar quão diferentes os computadores quânticos são dos computadores convencionais, e podem sublinhar o seu potencial para fazer coisas radicalmente novas. Mas o caminho até um cálculo útil para um físico em atividade parecia longo e nada óbvio. Agora, embora com cautela, acho que esse caminho pode ser mais curto do que eu esperava. Tenho certeza de que mais surpresas quânticas me aguardarão em 2026.
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