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Os físicos quânticos da Trinity, em colaboração com a IBM Dublin, simularam com sucesso a superdifusão em um sistema de interação de partículas quânticas em um computador quântico.
Este é o primeiro passo para fazer cálculos de transporte quântico altamente desafiadores em hardware quântico e, à medida que o hardware melhora com o tempo, esse trabalho promete lançar uma nova luz na física da matéria condensada e na ciência dos materiais.
O trabalho é um dos primeiros resultados do programa de bolsas de pré-doutorado TCD-IBM, que foi estabelecido recentemente, onde a IBM contrata alunos de doutorado como funcionários enquanto é co-supervisionado na Trinity. O artigo foi publicado recentemente na revista Nature Informação Quântica NPJ.
A IBM é líder global no empolgante campo da computação quântica. O computador quântico de estágio inicial usado neste estudo consiste em 27 qubits supercondutores (qubits são os blocos de construção da lógica quântica) e está fisicamente localizado no laboratório da IBM em Yorktown Heights, em Nova York, e programado remotamente de Dublin.
A computação quântica é atualmente uma das tecnologias mais empolgantes e espera-se que esteja se aproximando de aplicações comerciais na próxima década. Aplicações comerciais à parte, existem questões fundamentais fascinantes com as quais os computadores quânticos podem ajudar. A equipe da Trinity e da IBM Dublin abordou uma dessas questões sobre a simulação quântica.
Explicando o significado do trabalho e a ideia da simulação quântica em geral, o professor da Trinity, John Goold, diretor da recém-criada Trinity Quantum Alliance, que liderou a pesquisa, explica:
“Falando de modo geral, o problema de simular a dinâmica de um sistema quântico complexo com muitos constituintes em interação é um desafio formidável para computadores convencionais. Considere os 27 qubits neste dispositivo específico. Na mecânica quântica, o estado de tal sistema é descrito matematicamente por um objeto chamada de função de onda. Para usar um computador padrão para descrever este objeto, você precisa de um grande número de coeficientes para ser armazenado na memória e as demandas escalam exponencialmente com o número de qubits; aproximadamente 134 milhões de coeficientes, no caso desta simulação .
“À medida que você aumenta o sistema para dizer 300 qubits, você precisa de mais coeficientes do que átomos no universo observável para descrever tal sistema e nenhum computador clássico será capaz de capturar exatamente o estado do sistema. Em outras palavras, batemos em uma parede quando simulando sistemas quânticos. A idéia de usar sistemas quânticos para simular a dinâmica quântica remonta ao físico americano vencedor do Prêmio Nobel Richard Feynman, que propôs que os sistemas quânticos são melhor simulados usando sistemas quânticos. A razão é simples – você naturalmente explora o fato de que o computador quântico é descrito por uma função de onda contornando assim a necessidade de recursos clássicos exponenciais para armazenamento do estado.”
Então, o que exatamente a equipe simulou. O Prof. Goold continua:
“Alguns dos sistemas quânticos não triviais mais simples são cadeias de spin. São sistemas de pequenos ímãs conectados chamados spins, que imitam materiais mais complexos e são usados para entender o magnetismo. Estávamos interessados em um modelo chamado cadeia de Heisenberg e estávamos particularmente interessado no comportamento de longo prazo de como as excitações de spin são transportadas através do sistema.Neste limite de longo tempo, sistemas quânticos de muitos corpos entram em um regime hidrodinâmico e o transporte é descrito por equações que descrevem fluidos clássicos.
“Estávamos interessados em um regime particular em que algo chamado superdifusão ocorre devido à física subjacente ser governada por algo chamado equação de Kardar-Parisi-Zhang. Essa é uma equação que normalmente descreve o crescimento estocástico de uma superfície ou interface, como a altura da neve cresce durante uma tempestade de neve, como a mancha de uma xícara de café em um pano cresce com o tempo, ou como um fogo de penugem cresce. A propagação é conhecida por dar transporte super difusivo. Este é o transporte que se torna mais rápido à medida que você aumenta o sistema tamanho. É incrível que as mesmas equações que regem esses fenômenos surjam na dinâmica quântica e pudemos usar o computador quântico para verificar isso. Essa foi a principal conquista do trabalho.”
O estudioso de pré-doutorado da IBM-Trinity, Nathan Keenan, que programou o dispositivo como parte do projeto, nos conta alguns dos desafios para programar computadores quânticos.
“O maior problema com a programação de computadores quânticos é realizar cálculos úteis na presença de ruído”, disse ele. “As operações realizadas no nível do chip são imperfeitas e o computador é muito sensível a perturbações de seu ambiente de laboratório. Como resultado, você deseja minimizar o tempo de execução de um programa útil, pois isso reduzirá o tempo em que esses erros e distúrbios podem ocorrer e afetar seu resultado.”
Juan Bernabé-Moreno, diretor da IBM Research UK & Ireland, disse:
“A IBM tem uma longa história no avanço da tecnologia de computação quântica, não apenas trazendo décadas de pesquisa, mas também fornecendo o maior e mais extenso programa e ecossistema quântico comercial. Nossa colaboração com o Trinity College Dublin, por meio do MSc for Quantum Science and Technology e programa de doutorado, exemplifica isso e estou muito feliz por já estar apresentando resultados promissores.”
À medida que o mundo entra em uma nova era de simulação quântica, é reconfortante saber que os físicos quânticos da Trinity estão na vanguarda – programando os dispositivos do futuro. A simulação quântica é um pilar central de pesquisa na recém-lançada Trinity Quantum Alliance, fundada e dirigida pelo Prof. John Goold, que tem cinco parceiros industriais fundadores que incluem IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon e Moodys Analytics.
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