Dentro brevemente
- Uma pesquisa recente liderada pela IBM Quantum usou um computador quântico com até 91 qubits para simular o caos quântico de muitos corpos, um processo de interação complexo que é difícil de ser modelado por um computador tradicional.
- A pesquisa permitiu que circuitos integrados duplos simulassem comportamento caótico e usassem redução de erros de rede tensorial para controlar o ruído, melhorando a confiabilidade dos resultados.
- As descobertas sugerem que a tecnologia quântica atual, embora ainda em desenvolvimento, pode resolver problemas complexos, com possíveis aplicações na previsão do tempo, na dinâmica da água e na ciência dos materiais.
Os computadores quânticos de hoje podem ser capazes de simular o comportamento complexo – muitas vezes caótico – encontrado na natureza, o que poderia levar a uma melhor compreensão de fenômenos, como padrões climáticos complexos que são difíceis de prever e sistemas biológicos essenciais à vida.
Em um estudo recente, publicado no servidor de pré-impressão ArXiv, uma equipe de cientistas liderada pela IBM Quantum usou um computador quântico com até 91 qubits para simular algo chamado caos quântico multicorpo, essencialmente, um comportamento imprevisível. observado em sistemas multipartículas em interação. A complexidade dessa interação torna difícil modelar usando computadores tradicionais. O esforço, embora ainda nos estágios iniciais do desenvolvimento da computação quântica, aponta para como as atuais máquinas quânticas podem ser empurradas para resolver problemas que afetam a tecnologia convencional, relatam os cientistas.
Métodos: Qubits Transmon Supercondutores
Os pesquisadores usaram o processador quântico “ibm_strasbourg” da IBM, que funciona com qubits transmon supercondutores, conhecidos por suas propriedades de acoplamento que os tornam adequados para experimentos quânticos. O experimento foi realizado usando um tipo de circuito quântico conhecido como circuito dual-unitário. Correndo o risco de simplificar demais as coisas, esta é uma forma específica de projetar sistemas quânticos que podem imitar o comportamento caótico – um fenômeno inesperado visto em sistemas com muitos componentes interagentes. Esses circuitos foram implementados em um processador quântico que utiliza qubits, unidades básicas de informação quântica que podem representar circuitos mais complexos do que os bits convencionais usados em computadores clássicos.
Redução de erros de rede tensor
No entanto, um dos maiores desafios dos computadores quânticos atuais é o ruído, ou erros, que podem atrapalhar os cálculos. Para combater isso, os pesquisadores usaram uma técnica chamada mitigação de erros de rede tensorial. Essa abordagem envolve o uso de modelos matemáticos para filtrar ruídos e corrigir os resultados dos cálculos quânticos, tornando-os mais confiáveis. Este método é essencial para a obtenção de dados significativos nas máquinas quânticas atuais, que ainda estão longe da perfeição.
A pesquisa não se limitou ao uso de simulações quânticas. Os resultados foram avaliados em relação a simulações clássicas que utilizam algoritmos e técnicas poderosas para recriar o mesmo comportamento caótico em computadores convencionais. Essas comparações mostraram que, embora a computação quântica fosse consistente com os resultados clássicos para sistemas pequenos, surgiram desafios à medida que as simulações cresciam em complexidade. Isso destacou tanto a promessa quanto as limitações atuais da computação quântica.
Compreender o caos quântico é mais do que apenas um exercício acadêmico; tem implicações sobre como usamos computadores quânticos em aplicações práticas. O caos quântico descreve sistemas onde pequenas mudanças podem levar a resultados muito diferentes, uma característica semelhante à observada em padrões climáticos caóticos ou em águas turbulentas. Ao explorar esses tipos de comportamento com computadores quânticos, os pesquisadores podem criar ferramentas que podem eventualmente ajudar a desenvolver técnicas quânticas de correção de erros ou melhorar a criptografia baseada em quântica e as comunicações seguras.
A escala desta pesquisa – trabalhando com até 91 qubits e mais de 4.000 operações quânticas – também mostra a crescente capacidade do hardware quântico para lidar com tarefas complexas.
As descobertas da pesquisa podem abrir caminho para simulações mais avançadas em áreas como a física da matéria condensada, que estuda como as partículas se comportam quando colidem em matéria densa. Esta informação pode informar o design de novos materiais ou ajudar os cientistas a compreender melhor os fenómenos naturais que são difíceis de prever.
Limitações
Os pesquisadores observam algumas limitações neste trabalho. Em primeiro lugar, embora uma das principais conclusões da investigação seja que os computadores quânticos podem agora simular processos complexos, ainda não o conseguem fazer completamente. O ruído nestes sistemas continua a ser um obstáculo.
O modelo de ruído, embora controlado para redução de erros, ainda apresenta desafios, especialmente em grandes escalas. Os circuitos quânticos utilizados eram complexos, mas não imunes às imperfeições da tecnologia atual. Isso destaca a importância de melhorias contínuas tanto no hardware quântico quanto nas técnicas de tratamento de erros.
No entanto, o uso da redução de erros mostrou que os pesquisadores podem forçar o hardware atual para obter resultados úteis. Este progresso é importante porque sugere que, mesmo antes de os computadores quânticos serem totalmente tolerantes a falhas, as máquinas atuais ainda podem fornecer informações valiosas sobre problemas complexos.
A pesquisa futura se concentrará na melhoria do gerenciamento de ruído e na promoção de uma precisão ainda maior nas simulações quânticas. À medida que o hardware quântico continua a melhorar, esses experimentos podem ser estendidos para corresponder a sistemas ainda mais complexos. Isso fornecerá insights profundos não apenas sobre a computação quântica em si, mas também em campos como a criptografia, onde a compreensão do comportamento caótico pode ajudar a criar sistemas mais seguros.
A equipe de pesquisa também sugeriu que os computadores quânticos poderiam um dia ser usados para ajudar a projetar computadores quânticos melhores. Este “ciclo de feedback” de utilização de simulação quântica para modelar e prever o comportamento de partículas quânticas pode acelerar o desenvolvimento de máquinas mais confiáveis e eficientes.
É importante notar que os pesquisadores publicaram suas descobertas anteriormente em um servidor de impressão, o que significa que o trabalho não foi formalmente revisado por pares. Para uma visão mais aprofundada e técnica do trabalho do que este artigo pode fornecer, revise a pesquisa no AriXiv.
O trabalho foi realizado por cientistas de instituições líderes, incluindo IBM Quantum, IBM Research Europe, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Algorithmiq Ltd, IBM Research, Trinity College Dublin, Università degli Studi di Milano, HUN-REN Wigner Research Center for Physics, e Trindade. A Aliança Quântica.
