O desafio, no entanto, é que, mesmo os supercomputadores mais avançados, não conseguem realizar esses cálculos com a precisão exigida. Isso ocorre porque os processos físicos e moleculares são extremamente complexos, especialmente devido às interações entre átomos e moléculas que seguem as leis da mecânica quântica.
[Imagem: T. I. Andersen]
Em 1982, o renomado físico Richard Feynman propôs que a solução para esse problema viria no futuro, quando fosse possível criar computadores quânticos. Esses computadores poderiam simular processos físicos quânticos diretamente, pois seus bits seriam quânticos, ou seja, se comportariam da mesma forma que as partículas quânticas que precisamos simular — uma abordagem que representaria a realidade, e não apenas as equações que tentam descrevê-la.
Esse futuro chegou mais cedo do que o previsto, com os avanços rápidos na tecnologia dos computadores quânticos, permitindo o desenvolvimento dos primeiros simuladores quânticos.
No entanto, Feynman não previu algo importante: enquanto os computadores digitais são extremamente eficientes, a natureza é essencialmente analógica, não digital. Por isso, simuladores quânticos baseados apenas no binário não são tão eficazes quanto se imaginava.
Mas uma solução já está sendo implementada: uma equipe de universidades de cinco países, em colaboração com a Google, desenvolveu e testou com sucesso um novo tipo de simulador — um simulador quântico analógico-digital.
Embora os computadores quânticos puramente digitais, como os desenvolvidos pela IBM, Microsoft e Google, já possuam grande poder de processamento, seu uso como simuladores quânticos ainda apresenta limitações. Isso ocorre porque esses computadores realizam operações com portas quânticas universais, que são semelhantes às portas lógicas dos computadores tradicionais.
O novo processador quântico, por outro lado, se distingue de forma significativa. Ele é equipado com 69 qubits supercondutores que permitem operar tanto de maneira digital quanto analógica. Graças à superposição quântica, esses qubits não se limitam a apenas dois estados (0 e 1), mas podem assumir uma variedade de estados intermediários. Essa característica possibilita simulações diretas de processos físicos, modelando com precisão as interações entre partículas.
Assim, o simulador quântico analógico-digital representa um grande avanço, pois permite calcular processos físicos com uma precisão inédita. Além disso, seu conceito é altamente flexível, o que possibilita sua aplicação em uma vasta gama de problemas, desde a física do estado sólido até a astrofísica.
[Imagem: T. I. Andersen et al.]
Para combinar os modos analógico e digital, primeiro são estabelecidas condições iniciais discretas (e não contínuas), como, por exemplo, a introdução de calor em um sólido — esse é o modo digital. Esse processo garante que as condições iniciais sejam definidas de forma precisa e controlada.
Imagine que estamos tentando entender como o leite se mistura com o café. No modo digital do simulador, a simulação consiste em despejar gotas de leite de forma controlada em cem pontos diferentes dentro da xícara de café, tudo ao mesmo tempo.
Em seguida, o modo analógico entra em cena, simulando como o leite se espalha suavemente no café em cada ponto, sem os “saltos” do digital. Esse processo reflete a dinâmica física de forma contínua, como a propagação de calor ou a formação de domínios magnéticos em sólidos, gerando uma simulação mais fiel aos processos naturais.
A termalização — o processo pelo qual um sistema atinge o equilíbrio térmico — é apenas uma das várias questões intrigantes que o novo simulador quântico pode ajudar a responder.
O conceito apresentado por este protótipo abre as portas para a criação de um simulador quântico universal, que pode ser utilizado em diversas áreas da física. Ele supera as limitações dos simuladores quânticos analógicos anteriores, que foram projetados para analisar problemas físicos específicos, sendo cada um limitado a uma única aplicação.
As possibilidades de aplicação são vastas, destacando-se o desenvolvimento de novos materiais, como materiais magnéticos inovadores, supercondutores de alta temperatura e até medicamentos mais eficazes e com menos efeitos colaterais.
[Imagem: T. I. Andersen et al.]
Os simuladores quânticos também são altamente desejados na astrofísica. Um exemplo é o paradoxo da informação, que sugere que, na física quântica, nenhuma informação pode ser perdida. Contudo, os astrofísicos acreditam que buracos negros podem destruir informações sobre sua formação. Novos tipos de simuladores quânticos poderão ajudar a esclarecer essa questão, oferecendo insights valiosos sobre fenômenos astronômicos complexos.
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