Processador quântico simula reação química pela primeira vez

Inform?tica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/05/2025

Simulador qu?ntico para qu?mica

Pesquisadores australianos conseguiram fazer pela primeira vez uma simula??o qu?ntica da din?mica qu?mica com mol?culas reais, o que ? um marco na aplica??o da computa??o qu?ntica ? qu?mica e ? medicina.

Entender em tempo real como os ?tomos interagem para formar novos compostos durante as rea??es qu?micos ou estudar como a luz interage com a mat?ria est?o entre as aplica??es mais promissoras e mais esperadas da tecnologia qu?ntica, mas tudo vinha sendo muito restrito.

Por exemplo, at? agora os computadores qu?nticos se limitaram a calcular propriedades est?ticas das mol?culas - como suas energias -, sem conseguir acessar os processos din?micos e evolutivos ao longo do tempo, j? que esses s?o fen?menos incrivelmente complexos.

Agora, Tomas Navickas e colegas da Universidade de Sydney conseguiram simular o comportamento das mol?culas conforme elas recebiam energia da luz, um processo que envolve mudan?as eletr?nicas e vibracionais ultrarr?pidas, que os computadores cl?ssicos t?m dificuldade em modelar com precis?o e efici?ncia.

O professor Ivan Kassal, coordenador da equipe, compara isso com uma caminhada por uma montanha: "Uma coisa ? entender seu ponto de partida, seu ponto final e a altura que voc? precisar? escalar. Mas isso n?o ajuda a entender o caminho que voc? seguir?. Nossa nova abordagem nos permite simular a din?mica completa de uma intera??o entre a luz e as liga??es qu?micas. ? como entender a posi??o e a energia do montanhista em qualquer ponto de sua jornada pelas montanhas."

Simula??o anal?gica de uma rea??o qu?mica

Ao contr?rio dos trabalhos anteriores na ?rea, que modelavam apenas sistemas din?micos abstratos, a equipe conseguiu simular mol?culas reais, demonstrando a capacidade para imitar processos qu?micos reais - a simula??o envolveu a intera??o da luz com aleno (C₃H₄), butatrieno (C₄H₄) e pirazina (C₄N2H₄).

Embora seja um feito hist?rico, de modo um tanto curioso a equipe n?o precisou de um "supercomputador qu?ntico": Na verdade, eles usaram o que se pode chamar de um "computador qu?ntico minimalista", um simulador formado por um ?nico qubit, um ?tomo do elemento qu?mico it?rbio - essa arquitetura ? conhecida como qubit de ?ons aprisionados.

Mas por que simular uma mol?cula recebendo um f?ton? Porque o processo natural ? r?pido demais, enquanto o simulador permite observar cada detalhe, passo a passo. Imagine observar o processo de uma mol?cula absorver um f?ton, vibrar e passar por uma r?pida transi??o eletr?nica - tudo codificado em uma simula??o qu?ntica que se desenrola em um impressionante fator de dilata??o temporal de 100 bilh?es (10¹¹). Isso significa que a simula??o qu?ntica funciona em uma escala de tempo acess?vel de milissegundos, reproduzindo fielmente os eventos qu?micos ultrarr?pidos que ocorrem em femtossegundos (10^-15 segundo).

A simula??o propriamente dita consiste em usar o qubit para codificar comportamentos como o modo como os ?tomos da mol?cula movimentam-se uns em rela??o aos outros e como seus el?trons saltam para n?veis de energia mais altos. A equipe conseguiu codificar todos esses par?metros em um ?nico ?tomo de it?rbio: As excita??es dos el?trons da mol?cula correspondiam a excita??es semelhantes em um dos el?trons do ?on, enquanto dois modos vibracionais diferentes foram representados pelo ?on oscilando dentro de sua armadilha em duas dire??es distintas.

Tudo pronto, a equipe ent?o manipulou o ?on usando pulsos de laser, de modo a ajustar o modo como todos os estados interagiam, for?ando o ?on a evoluir no tempo. Ao fazer isto, ele estava imitando exatamente o comportamento das mol?culas correspondentes quando elas s?o atingidas por um f?ton.

M?ltiplas aplica??es

"Realizar a mesma simula??o usando uma abordagem mais convencional em computa??o qu?ntica exigiria 11 qubits perfeitos e 300.000 portas de entrela?amento impec?veis. Nossa abordagem ? cerca de um milh?o de vezes mais eficiente em termos de recursos, permitindo o estudo de din?micas qu?micas complexas com muito menos recursos do que se pensava ser poss?vel anteriormente," disse o professor Kassal.

Aplica??es futuras dessa abordagem de simula??o anal?gica incluem a simula??o de rea??es qu?micas e din?micas qu?micas em qualquer situa??o que envolva a luz. Isso inclui a fotoss?ntese, danos ao DNA por UV, terapias fotodin?micas e pesquisa sobre c?ncer, al?m do aprimoramento de c?lulas solares.

"Pegamos esse estudo e aplicamos sua abordagem ? din?mica de tr?s mol?culas diferentes ap?s elas absorverem luz. ? poss?vel simular as intera??es dessas mol?culas espec?ficas usando supercomputadores cl?ssicos. Mas mol?culas mais complexas estar?o al?m de suas capacidades. A tecnologia qu?ntica ser? capaz de simular uma complexidade que est? al?m de todas as capacidades cl?ssicas," disse o professor Tingrei Tan, membro da equipe.

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