Cientistas utilizam chips de microprocessadores quânticos para simulação avançada de espectroscopia molecular

A simulação quântica permite que cientistas simulem e estudem sistemas complexos que são desafiadores ou até mesmo impossíveis usando computadores clássicos em vários campos, incluindo modelagem financeira, segurança cibernética, descobertas farmacêuticas, IA e aprendizado de máquina. Por exemplo, explorar espectros vibrônicos moleculares é crítico para entender as propriedades moleculares no design e análise molecular.

No entanto, continua sendo um problema computacionalmente difícil de longa data que não pode ser resolvido eficientemente usando supercomputadores tradicionais. Pesquisadores estão trabalhando diligentemente em computadores quânticos e algoritmos para simular espectros vibrônicos moleculares. No entanto, eles estão limitados a estruturas moleculares simples, pois lutam com baixa precisão e ruído inerente.

Pesquisadores de engenharia da Universidade Politécnica de Hong Kong (PolyU) desenvolveram com sucesso um chip de microprocessador quântico para simulação de espectroscopia molecular de moléculas reais de grande estrutura e complexas, uma conquista pioneira no mundo.

Capturar esses efeitos quânticos com precisão requer simulações meticulosamente desenvolvidas que levem em conta a superposição e o emaranhamento quânticos, que são computacionalmente intensivos para modelar classicamente.

A pesquisa foi publicada em Comunicações da Naturezaem um artigo intitulado “Rede fotônica em larga escala com estados de vácuo comprimidos para espectroscopia vibrônica molecular”.

Essa tecnologia de ponta abre caminho para resolver problemas complexos de química quântica, incluindo aplicações computacionais quânticas que estão além das capacidades dos computadores clássicos.

A equipe de pesquisa é liderada pelo Professor Liu Ai-Qun, Professor Titular de Engenharia e Ciência Quântica e Diretor do Instituto de Tecnologia Quântica (IQT), Acadêmico Global STEM e Membro da Academia de Engenharia de Cingapura, juntamente com o principal impulsionador do projeto, Dr. Zhu Hui Hui, Pesquisador de Pós-Doutorado do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica e primeiro autor do artigo de pesquisa.

Outros colaboradores são da Universidade Tecnológica de Nanyang, da Universidade da Cidade de Hong Kong, do Instituto de Tecnologia de Pequim, da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul, do Instituto de Microeletrônica e da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia.

A equipe do Dr. Zhu demonstrou experimentalmente um chip microprocessador quântico de larga escala e introduziu um modelo teórico não trivial empregando uma rede fotônica linear e fontes de luz quântica de vácuo comprimido para simular espectros vibrônicos moleculares. O chip microprocessador quântico de 16 qubits é fabricado e integrado em um único chip.

Um sistema completo foi desenvolvido, incluindo a integração de hardware de encapsulamento óptico-elétrico-térmico para o chip microprocessador fotônico quântico e módulo de controle elétrico, desenvolvimento de software para drivers de dispositivo, interface de usuário e algoritmos quânticos subjacentes que são totalmente programáveis. O sistema de computador quântico desenvolvido fornece um bloco de construção fundamental para outras aplicações.

O microprocessador quântico pode ser aplicado para resolver tarefas complexas, como simular grandes estruturas de proteínas ou otimizar reações moleculares com velocidade e precisão significativamente melhoradas.

O Dr. Zhu disse: “Nossa abordagem pode gerar uma classe inicial de simulações moleculares práticas que operam além dos limites clássicos e prometem alcançar acelerações quânticas em aplicações relevantes da química quântica.”

As tecnologias quânticas são cruciais em campos científicos, incluindo ciência de materiais, química e física da matéria condensada. Como uma plataforma de hardware atraente, os chips de microprocessadores quânticos apresentam uma alternativa tecnológica promissora para processamento de informações quânticas.

As descobertas da pesquisa e o chip microprocessador quântico integrado resultante desenvolvido abrem novos caminhos significativos para inúmeras aplicações práticas. Essas aplicações incluem resolver problemas de acoplamento molecular e alavancar técnicas de aprendizado de máquina quântica, como classificação de grafos.

O professor Liu disse: “Nossa pesquisa é inspirada pelo potencial impacto no mundo real das tecnologias de simulação quântica. Na próxima fase do nosso trabalho, pretendemos aumentar a escala do microprocessador e lidar com aplicações mais complexas que podem beneficiar a sociedade e a indústria.”

A equipe enfrentou com sucesso a tarefa altamente desafiadora de simulação de espectroscópio molecular usando um microprocessador de computação quântica. Sua pesquisa marca um avanço significativo na tecnologia quântica e suas potenciais aplicações de computação quântica.