Simulador quântico analógico-digital alcança precisão sem precedentes

Inform?tica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/03/2025

Simulador qu?ntico

Quando precisamos entender como duas subst?ncias se misturam - sejam dois reagentes na ind?stria qu?mica, dois metais fundidos na ind?stria metal?rgica ou componente ex?ticos para criar novos materiais - precisamos primeiro simular como isso acontece usando computadores. Essas simula??es permitem ir variando continuamente as condi??es da mistura, de modo a obter as melhores condi??es e o melhor rendimento para o produto que queremos obter.

S? tem um problema: Mesmo os supercomputadores mais r?pidos s?o incapazes de realizar os c?lculos necess?rios com a precis?o necess?ria porque os processos f?sicos e moleculares envolvidos s?o extremamente complexos, sobretudo porque ?tomos e mol?culas interagem seguindo as regras da mec?nica qu?ntica.

Em 1982, o famoso f?sico Richard Feynman sugeriu que a solu??o para isso s? viria no futuro distante, quando consegu?ssemos construir computadores qu?nticos, que poderiam simular os processos f?sicos qu?nticos diretamente porque seus pr?prios bits seriam bits qu?nticos, portanto comportando-se exatamente como as part?culas qu?nticas que queremos simular - ? a coisa real funcionando, e n?o as equa??es que as representam.

Agora esse futuro chegou, e o r?pido desenvolvimento dos computadores qu?nticos permitiu criar os primeiros simuladores qu?nticos.

Feynman s? n?o previu uma coisa: Os computadores digitais s?o muito bons, mas a natureza n?o ? digital, ? anal?gica, ent?o simuladores qu?nticos que fiquem restritos ao bin?rio n?o s?o t?o ?teis quanto se pensava.

Mas a solu??o j? est? a caminho: Uma equipe de universidades de cinco pa?ses e da empresa Google acaba de construir e testar com sucesso um novo tipo de simulador, um simulador qu?ntico anal?gico-digital.

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Combinando anal?gico e digital

Embora os computadores qu?nticos puramente digitais, como os feitos pela IBM, Microsoft e Google, j? sejam muito poderosos, seu potencial como simuladores qu?nticos ainda ? limitado. Isso porque os computadores qu?nticos digitais realizam suas opera??es usando portas qu?nticas universais, semelhantes ?s portas l?gicas dos computadores cl?ssicos.

J? o novo processador qu?ntico tem uma diferen?a fundamental: Seus 69 bits supercondutores (qubits) permitem modos de opera??o digitais e anal?gicos. A diferen?a ? que, gra?as ? superposi??o mec?nica qu?ntica, os qubits podem n?o apenas assumir os estados 0 e 1, mas tamb?m uma infinidade de estados intermedi?rios. Com isso, eles podem fazer a simula??o direta de processos f?sicos, modelando realisticamente as intera??es entre as diferentes part?culas.

Assim, um simulador qu?ntico anal?gico-digital representa um marco porque o sistema calcula processos f?sicos com precis?o sem precedentes. Al?m disso, seu conceito tamb?m ? particularmente flex?vel, o que significa que ele pode ser aplicado a muitos problemas diferentes, da f?sica do estado s?lido ? astrof?sica.

Para combinar o anal?gico com o digital, primeiro s?o definidas condi??es iniciais discretas (n?o cont?nuas), como introduzir calor em um s?lido - este ? o modo digital. Isso permite que as condi??es iniciais sejam definidas de forma precisa e flex?vel.

Imagine, como exemplo, que estejamos tentando estudar como o leite se mistura com o caf?: O modo digital do simulador qu?ntico equivale a simular uma jarra despejando gotas de leite de uma maneira espec?fica e controlada em cem lugares diferentes da x?cara de caf?, tudo ao mesmo tempo.

Vem ent?o o modo anal?gico, o processo subsequente pelo qual o leite se espalha no caf? em cada ponto, tudo progredindo suavemente ponto por ponto, sem os "trancos" do digital. A intera??o entre os qubits simula a din?mica f?sica, como a propaga??o do calor ou a forma??o de dom?nios magn?ticos, como ocorre nos s?lidos.

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Simulador qu?ntico universal

A termaliza??o - o processo de atingir o equil?brio t?rmico - ? apenas uma das muitas perguntas interessantes que podem ser respondidas usando o novo simulador qu?ntico.

Na verdade, o conceito demonstrado por este prot?tipo abre caminho para um simulador qu?ntico universal, podendo ser usado em uma ampla gama de diferentes ?reas da f?sica. Ele supera as capacidades dos simuladores qu?nticos anal?gicos fabricados at? agora, j? que cada um dos exemplares j? fabricado foi constru?do com capacidade para analisar apenas um problema f?sico espec?fico.

As aplica??es s?o amplas, mas se destaca o desenvolvimento de novos materiais, como novos materiais magn?ticos, supercondutores de alta temperatura e at? mesmo medicamentos com a??o mais direcioanda e com menos efeitos colaterais.

Simuladores qu?nticos est?o sendo desejados at? mesmo na astrof?sica. Um exemplo ? o chamado paradoxo da informa??o, que afirma que nenhuma informa??o pode ser perdida na f?sica qu?ntica. No entanto, os astrof?sicos acreditam que buracos negros de fato destroem informa??es sobre sua forma??o. Novos tipos de simuladores qu?nticos poder?o esclarecer a situa??o.

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