Físicos quânticos da Trinity University, trabalhando 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 realizar cálculos difíceis de transporte quântico em hardware quântico. À medida que o hardware continua a melhorar, espera-se que este trabalho traga novas revelações para a física da matéria condensada e a ciência dos materiais.
Este trabalho é um dos primeiros resultados do TCD-IBM Predoctoral Fellowship Program, um programa recentemente estabelecido no qual a IBM supervisiona conjuntamente estudantes de doutorado na Trinity, ao mesmo tempo que emprega estudantes de doutorado como funcionários. O artigo foi publicado recentemente na famosa revista Nature NPJ Quantum Information.
A IBM é líder global no emocionante campo da computação quântica. O primeiro computador quântico usado neste estudo era composto por 27 qubits supercondutores (qubits são os blocos de construção da lógica quântica) e estava fisicamente localizado no laboratório da IBM em Yorktown Heights, Nova York, e programado remotamente em Dublin.
A computação quântica é uma das tecnologias mais interessantes que existem e espera-se que se aproxime cada vez mais das aplicações comerciais na próxima década. Além das aplicações comerciais, os computadores quânticos podem ajudar a resolver alguns problemas fundamentais fascinantes. Uma equipe da Trinity University Dublin e da IBM resolveu um problema relacionado à simulação quântica.
O professor John Goold, diretor da recém-criada Trinity Quantum Alliance e líder desta pesquisa, disse ao explicar o significado deste trabalho e a ideia geral das simulações quânticas
"Em geral, simular a dinâmica de sistemas quânticos complexos que consistem em muitos componentes interativos é um desafio difícil para computadores clássicos. Considere os 27 qubits neste dispositivo específico. Na mecânica quântica, o estado de tal sistema é determinado por uma função chamada função de onda. Um objeto é descrito matematicamente. Para descrever este objeto usando um computador padrão, é necessário armazenar um grande número de coeficientes na memória, e a necessidade desses coeficientes aumenta exponencialmente com o número de qubits; neste caso de simulação, aproximadamente 134 milhões de coeficientes são necessários ".
"Quando os sistemas crescem para 300 bits, os coeficientes necessários para descrever tal sistema excedem o número de átomos no universo observável, e nenhum computador clássico pode capturar com precisão o estado do sistema. Em outras palavras, batemos em uma parede ao simular sistemas quânticos. Simulando a dinâmica quântica usando sistemas quânticos A ideia de aprendizagem pode ser rastreada até o ganhador do Prêmio Nobel americano Richard Feynman, que propôs que os sistemas quânticos são melhor simulados usando sistemas quânticos. A razão é simples - você naturalmente tira vantagem do fato de que os computadores quânticos são descritos por funções de onda, contornando assim os recursos clássicos exponenciais necessários para armazenar estados."
Então, o que exatamente a equipe de pesquisa simulou? O professor Goold continuou:
"Alguns dos sistemas quânticos não tridimensionais mais simples são cadeias de spin. Esses sistemas são conectados por pequenos ímãs chamados spins, imitando materiais mais complexos, e são usados para entender o magnetismo. Estamos interessados em um modelo chamado cadeia de Heisenberg, e estamos particularmente interessados no comportamento de longo prazo de como as excitações de spin são transportadas por todo o sistema. Neste confinamento de longo prazo, os sistemas quânticos de muitos corpos entram em um regime hidrodinâmico, com transporte descrito por equações que descrevem fluidos clássicos. "
"Estamos interessados em um mecanismo especial no qual ocorre um fenômeno chamado superdifusão porque a física subjacente é governada pela equação Kardar-Parisi-Zhange. Esta equação normalmente descreve o crescimento aleatório de uma superfície ou interface, como a forma como a altura da neve cresce em uma tempestade de neve, como uma mancha em uma xícara de café cresce ao longo do tempo, ou como um fogo fofo cresce. Essa propagação é chamada de transporte superdifusivo. Surpreendentemente, as equações que governam esses fenômenos também aparecem na dinâmica quântica, que é a principal conquista deste trabalho."
O bolsista de pré-doutorado da IBM-Trinity, Nathan Keenan, é um programador do projeto. Ele nos contou sobre alguns dos desafios enfrentados pela programação de computadores quânticos.
Ele disse: "O maior problema na programação de computadores quânticos é realizar cálculos úteis na presença de ruído. As operações realizadas no nível do chip não são perfeitas e os computadores são muito sensíveis à interferência do ambiente de laboratório. Portanto, é sempre desejável minimizar o tempo de execução de um programa útil, porque isso reduzirá o tempo antes que esses erros e interferências possam ocorrer e afetar os resultados."
Juan Bernabé-Moreno, diretor da IBM Research UK e Irlanda, disse:
"A IBM tem uma longa história de avanço na tecnologia de computação quântica, trazendo não apenas décadas de pesquisa, mas também os maiores e mais amplos programas e ecossistemas quânticos comerciais. Nossa colaboração com o Trinity College Dublin por meio dos programas de mestrado e doutorado em Ciência e Tecnologia Quântica exemplifica isso, e estou muito satisfeito por essa colaboração já estar produzindo resultados promissores."
À medida que o mundo entra numa nova era de simulações quânticas, é reconfortante saber que os físicos quânticos do Trinity College Dublin estão na vanguarda – programando os dispositivos do futuro. A simulação quântica é um pilar central de pesquisa da recém-formada Trinity Quantum Alliance, fundada e liderada pelo professor John Goold, que tem cinco parceiros industriais fundadores, incluindo IBM, Microsoft, Algorithmiq, Horizon e Moodys Analytics.