O recozimento quântico melhora a compreensão dos sistemas quânticos de muitos corpos

Os físicos há muito tempo buscam a ideia de simular partículas quânticas com um computador que é ele próprio composto de partículas quânticas. Foi exactamente isto que os cientistas do Forschungszentrum Jülich fizeram em conjunto com colegas da Eslovénia.

Eles usaram um recozimento quântico para modelar um material quântico da vida real e mostraram que o recozimento quântico pode espelhar diretamente as interações microscópicas dos elétrons no material.

O resultado é um avanço significativo na área, mostrando a aplicabilidade prática da computação quântica na resolução de problemas complexos de ciência de materiais. Além disso, os pesquisadores descobriram fatores que podem melhorar a durabilidade e a eficiência energética dos dispositivos de memória quântica. As descobertas foram publicadas em Comunicações da Natureza.

No início da década de 1980, Richard Feynman perguntou se era possível modelar a natureza com precisão usando um computador clássico. Sua resposta foi: não. O mundo consiste em partículas fundamentais, descritas pelos princípios da física quântica. O crescimento exponencial das variáveis ​​que devem ser incluídas nos cálculos leva até os supercomputadores mais potentes ao seu limite. Em vez disso, Feynman sugeriu usar um computador composto de partículas quânticas. Com sua visão, Feynman é considerado por muitos o Pai da Computação Quântica.

Cientistas do Forschungszentrum Jülich, juntamente com colegas de instituições eslovenas, demonstraram agora que esta visão pode realmente ser posta em prática. A aplicação que eles estão analisando é o chamado sistema de muitos corpos. Tais sistemas descrevem o comportamento de um grande número de partículas que interagem entre si.

No contexto da física quântica, ajudam a explicar fenómenos como a supercondutividade ou transições de fase quântica no zero absoluto. A uma temperatura de 0 Kelvin, em vez de flutuações térmicas, apenas flutuações quânticas ocorrem quando um parâmetro físico como o campo magnético muda.

“Um desafio na pesquisa de materiais quânticos é medir e modelar quantitativamente as transições de fase de sistemas de muitos corpos”, explica Dragan Mihailović, do Instituto Jožef Stefan, na Eslovênia. Neste estudo, os cientistas investigaram o material quântico 1T-TaS₂que é usado em uma ampla gama de aplicações, incluindo eletrônicos supercondutores e dispositivos de armazenamento com eficiência energética.

Jaka Vodeb, do Jülich Supercomputing Center, descreve a abordagem: “Colocamos o sistema em um estado de não equilíbrio e observamos como os elétrons na rede de estado sólido se reorganizam após uma transição de fase de não equilíbrio, tanto experimentalmente quanto por meio de simulações. “

Todos os cálculos foram realizados utilizando o recozimento quântico da empresa D-Wave, que está integrado na Infraestrutura Unificada de Jülich para Computação Quântica, JUNIQ.

Os pesquisadores conseguiram modelar com sucesso o cruzamento da dinâmica controlada pela temperatura para a dinâmica dominada pela flutuação quântica barulhenta. Além disso, os cientistas demonstraram que as interconexões de qubit do recozimento quântico podem espelhar diretamente as interações microscópicas entre os elétrons em um material quântico. Apenas um único parâmetro no recozimento quântico deve ser modificado. O resultado está intimamente alinhado com as descobertas experimentais.

Mas a pesquisa também tem aplicações práticas. Por exemplo, uma compreensão mais profunda do 1T-TaS₂dispositivos de memória baseados em Quantum podem levar a um dispositivo de memória quântica prático, implementado diretamente em uma unidade de processamento quântico (QPU). Tais dispositivos podem contribuir para o desenvolvimento de dispositivos eletrónicos energeticamente eficientes, reduzindo significativamente o consumo de energia dos sistemas informáticos.

A pesquisa destaca o potencial dos recozidores quânticos na resolução de problemas práticos, abrindo caminho para sua aplicação mais ampla em vários campos, como criptografia, ciência de materiais e simulações de sistemas complexos. Além disso, as descobertas têm implicações diretas para o desenvolvimento de dispositivos de memória quântica com eficiência energética.