Simulações quânticas que antes precisavam de supercomputadores agora rodam em laptops

É tão complexo quanto parece. Para compreender esses sistemas alucinantes e suas inúmeras configurações, os físicos geralmente recorrem a supercomputadores poderosos ou à inteligência artificial em busca de ajuda.

Mas e se muitos desses mesmos problemas pudessem ser resolvidos por um laptop comum?

Os cientistas há muito que acreditaram que isto era teoricamente possível, mas consegui-lo revelou-se muito mais difícil.

Pesquisadores da Universidade de Buffalo deram agora um grande passo em frente. Eles expandiram uma técnica computacional econômica conhecida como aproximação truncada de Wigner (TWA), uma espécie de atalho da física que simplifica a matemática quântica, para que possa lidar com sistemas que antes se pensava exigirem enorme poder de computação.

Igualmente significativo é o facto de a sua abordagem – delineada num estudo publicado em Setembro em PRX Quantumum periódico da American Physical Society – oferece uma estrutura TWA prática e fácil de usar que permite aos pesquisadores inserir seus dados e obter resultados significativos em poucas horas.

“Nossa abordagem oferece um custo computacional significativamente menor e uma formulação muito mais simples das equações dinâmicas”, diz o autor correspondente do estudo, Jamir Marino, PhD, professor assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências da UB. “Acreditamos que este método poderá, num futuro próximo, tornar-se a principal ferramenta para explorar estes tipos de dinâmica quântica em computadores de consumo.”

Marino, que ingressou na UB neste outono, começou este trabalho enquanto estava na Universidade Johannes Gutenberg em Mainz, na Alemanha. Seus coautores incluem dois de seus ex-alunos, Hossein Hosseinabadi e Oksana Chelpanova, esta última agora pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Marino na UB.

A pesquisa recebeu apoio da National Science Foundation, da German Research Foundation e da União Europeia.

Adotando uma abordagem semiclássica

Nem todo sistema quântico pode ser resolvido com exatidão. Fazer isso seria impraticável, pois o poder computacional necessário cresce exponencialmente à medida que o sistema se torna mais complexo.

Em vez disso, os físicos muitas vezes recorrem ao que é conhecido como física semiclássica – uma abordagem intermediária que mantém o comportamento quântico apenas o suficiente para permanecer preciso, enquanto descarta detalhes que têm pouco efeito no resultado.

A TWA é uma abordagem semiclássica que remonta à década de 1970, mas está limitada a sistemas quânticos idealizados e isolados, onde nenhuma energia é ganha ou perdida.

Assim, a equipe de Marino expandiu a TWA para os sistemas mais confusos encontrados no mundo real, onde as partículas são constantemente empurradas e puxadas por forças externas e vazam energia para o seu entorno, também conhecida como dinâmica de spin dissipativa.

“Muitos grupos tentaram fazer isso antes de nós. Sabe-se que certos sistemas quânticos complicados poderiam ser resolvidos de forma eficiente com uma abordagem semiclássica”, diz Marino. “No entanto, o verdadeiro desafio tem sido torná-lo acessível e fácil de fazer.”

Facilitando a dinâmica quântica

No passado, os pesquisadores que procuravam usar a TWA enfrentavam um muro de complexidade. Eles tiveram que derivar novamente a matemática do zero cada vez que aplicavam o método a um novo problema quântico.

Assim, a equipe de Marino transformou o que costumavam ser páginas de matemática densa e quase impenetrável em uma tabela de conversão simples que traduz um problema quântico em equações solucionáveis.

“Os físicos podem essencialmente aprender este método num dia e, por volta do terceiro dia, já estão a resolver alguns dos problemas mais complexos que apresentamos no estudo”, diz Chelpanova.

Salvando supercomputadores para os grandes problemas

A esperança é que o novo método salve clusters de supercomputação e modelos de IA para sistemas quânticos verdadeiramente complicados. Estes são sistemas que não podem ser resolvidos com uma abordagem semiclássica. Sistemas com não apenas um trilhão de estados possíveis, mas mais estados do que átomos no universo.

“Muito do que parece complicado não é realmente complicado”, diz Marino. “Os físicos podem usar recursos de supercomputação nos sistemas que precisam de uma abordagem quântica completa e resolver o resto rapidamente com a nossa abordagem.”