Os computadores quânticos apenas simularam uma física muito complexa para supercomputadores

A computação quântica oferece uma alternativa promissora porque, em princípio, pode representar e simular estes sistemas de forma muito mais eficiente. Um grande desafio, no entanto, é encontrar métodos confiáveis ​​para configurar o estado quântico inicial que uma simulação necessita. Neste trabalho, os pesquisadores alcançaram uma inovação: criaram circuitos quânticos escaláveis, capazes de preparar o estado inicial de uma colisão de partículas semelhantes aos produzidos em aceleradores de partículas. O teste deles concentra-se nas fortes interações descritas pelo Modelo Padrão.

A equipe começou determinando os circuitos necessários para pequenos sistemas usando computadores clássicos. Uma vez conhecidos esses projetos, eles aplicaram a estrutura escalável dos circuitos para construir simulações muito maiores diretamente em um computador quântico. Usando o hardware quântico da IBM, eles simularam com sucesso os principais recursos da física nuclear em mais de 100 qubits.

Métodos quânticos escaláveis ​​para física de alta densidade

Esses algoritmos quânticos escaláveis ​​abrem a porta para simulações que antes estavam fora de alcance. A abordagem pode ser usada para modelar o estado de vácuo antes de uma colisão de partículas, sistemas físicos com densidades extremamente altas e feixes de hádrons. Os pesquisadores prevêem que futuras simulações quânticas construídas nesses circuitos excederão o que a computação clássica pode realizar.

Tais simulações poderiam lançar luz sobre as principais questões em aberto na física, incluindo o desequilíbrio entre matéria e antimatéria, a criação de elementos pesados ​​dentro de supernovas e o comportamento da matéria em densidades ultra-elevadas. As mesmas técnicas também podem ajudar a modelar outros sistemas difíceis, incluindo materiais exóticos com propriedades quânticas incomuns.

Os físicos nucleares usaram os computadores quânticos da IBM para realizar a maior simulação quântica digital já concluída. Seu sucesso resultou em parte da identificação de padrões em sistemas físicos, incluindo simetrias e diferenças em escalas de comprimento, o que os ajudou a projetar circuitos escaláveis ​​que preparam estados com correlações localizadas. Eles demonstraram a eficácia deste algoritmo preparando o estado de vácuo e os hádrons dentro de uma versão unidimensional da eletrodinâmica quântica.

Avançando de modelos pequenos para sistemas quânticos de grande escala

A equipe validou seus componentes de circuito testando-os primeiro em pequenos sistemas com ferramentas de computação clássicas, confirmando que os estados resultantes poderiam ser sistematicamente melhorados. Eles então expandiram os circuitos para lidar com mais de 100 qubits e os executaram em dispositivos quânticos da IBM. Usando os dados dessas simulações, os cientistas extraíram propriedades do vácuo com precisão percentual.

Eles também usaram os circuitos para gerar pulsos de hádrons e depois simularam como esses pulsos evoluíram ao longo do tempo para rastrear sua propagação. Estes avanços apontam para um futuro em que os computadores quânticos poderão realizar simulações dinâmicas completas da matéria sob condições extremas que estão muito além do alcance das máquinas clássicas.

Esta pesquisa recebeu apoio do Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE), Escritório de Física Nuclear, InQubator for Quantum Simulation (IQuS) por meio da Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science Initiative, e do Quantum Science Center (QSC), um DOE e Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica da Universidade de Washington. Recursos computacionais adicionais foram fornecidos pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility, um DOE Office of Science User Facility, e pelo sistema de supercomputador Hyak da Universidade de Washington. A equipe também reconhece o uso dos serviços IBM Quantum para este projeto.