Uma nova forma poderosa de computação pode ajudar os cientistas a projetar novos tipos de materiais para nanoeletrônica, permitem que as companhias aéreas resolvam problemas logísticos complexos para garantir voos pontuais, e lidar com os engarrafamentos para manter os carros fluindo mais livremente em estradas movimentadas.

Embora os computadores digitais modernos sejam capazes de façanhas de cálculo impressionantes, existem alguns problemas com os quais até mesmo os supercomputadores mais avançados lutam. Mas os pesquisadores acreditam que novos computadores que exploram o poder da mecânica quântica, que governam o estranho comportamento de partículas microscópicas como bósons, fermions, e os anyons poderiam resolver esses problemas em questão de segundos.

Construir computadores quânticos de uso geral provou ser excepcionalmente difícil e, atualmente, apenas um punhado de máquinas caras estão em desenvolvimento.

Em vez disso, alguns cientistas estão adotando outra abordagem, construindo sistemas de computação conhecidos como simuladores quânticos analógicos na tentativa de encontrar um atalho para algumas das respostas que os computadores quânticos prometem fornecer.

Esses simuladores são projetados para explorar propriedades específicas da física quântica, modelando como as menores partículas do universo podem se comportar. Isso, por sua vez, pode ser aplicado para resolver problemas complexos no mundo mais amplo que atualmente são impossíveis de resolver ou podem levar uma vida inteira para fazê-lo usando computadores clássicos.

'A analogia que eu realmente gosto é que os simuladores quânticos analógicos são um pouco como um túnel de vento, 'disse o professor Andrew Daley, um físico da Strathclyde University, REINO UNIDO, e membro do projeto PASQuanS. “Algumas décadas atrás, era impossível simular o fluxo de ar em um computador, então, em vez disso, você construiria um modelo em escala e o colocaria em um túnel de vento.

'Mas com a simulação quântica analógica, a escala vai para o outro lado, em vez de fazer uma versão menor, você está fazendo um maior. Isso o torna mais controlável e, portanto, mais fácil de aprender os detalhes de como algo pode funcionar. '

Ampliados

Reunindo uma equipe de pesquisadores de toda a Europa, o projeto está tentando construir alguns dos simuladores quânticos analógicos mais poderosos até hoje, usando átomos e íons como seus modelos ampliados de partículas subatômicas.

Por exemplo, átomos ultracold, que foram resfriados a apenas alguns graus acima do zero absoluto, pode ser suspenso em uma rede formada por luz laser para simular como os elétrons podem se mover em um cristal. Até aqui, simuladores quânticos de última geração usam cerca de 100 átomos ultracold ou até 20 íons em seus modelos, mas a equipe espera impulsionar seus sistemas para ter mais de 1, 000 átomos e até 50 íons.

Isso poderia levar o poder desses simuladores muito além do que é possível com a computação clássica em uma escala de tempo muito mais curta do que seria possível com a construção de um computador quântico geral, diz o Prof Daley.

Um desafio importante é tornar os simuladores mais controláveis ​​e programáveis. Os pesquisadores envolvidos no projeto estão desenvolvendo novas técnicas de controle de átomos, como prendê-los com 'pinças' a laser, excitar átomos selecionados em estados de alta energia ou movê-los para que interajam de maneiras diferentes.

'O bit programável tem tudo a ver com tornar esses sistemas altamente controláveis, de uma forma bem calibrada, no nível de sites de rede individuais, íons individuais ou átomos individuais, 'disse o Prof Daley.

Embora esses simuladores possam ajudar os físicos a resolver questões difíceis sobre o comportamento das partículas em sistemas quânticos, eles também podem ser usados ​​para resolver problemas maiores do mundo real, também.

Algoritmos de recozimento quântico, por exemplo, explorar uma peculiaridade da física quântica em que as partículas subatômicas, átomos e moléculas maiores podem encontrar o caminho de menor resistência ao mudar os estados de energia. Isso pode ser comparado a tentar rolar uma bola colina acima para chegar a um vale mais profundo do outro lado - se a bola não for empurrada o suficiente, não terá energia para atingir o pico da colina e simplesmente rolará para trás. Partículas quânticas, por comparação, podem contornar os picos de energia que eles precisam superar simplesmente abrindo um túnel através deles.

Otimizando

Essa capacidade de encontrar estados de baixa energia com mais facilidade significa que o recozimento quântico pode ser usado para encontrar maneiras de otimizar redes de tráfego complicadas ou cadeias de logística complicadas.

'Podemos pegar um problema de outro lugar e mapeá-lo na interação entre os átomos ou íons, 'disse o Prof Daley. 'Então podemos começar a fazer perguntas para encontrar a configuração de energia mais baixa possível.'

Grandes empresas como a Airbus, Total, Bosch, Electricité de France (EDF) e Siemens já manifestaram interesse em explorar esta abordagem. Pesquisadores das empresas estão trabalhando com o projeto na tentativa de encontrar aplicações potenciais que possam ser aplicadas às suas operações comerciais.

Em aeronaves, por exemplo, poderia ser usado para ajudar a garantir que os aviões e a tripulação da companhia aérea estejam no lugar certo para que os voos funcionem sem problemas.

Também pode ser usado para modelar rapidamente a melhor maneira de redirecionar o tráfego em estradas movimentadas para evitar congestionamentos e reduzir a poluição.

'Criamos um fórum de usuário final para obter ideias específicas sobre os tipos de problemas que podem ser implementados em plataformas de simulação quântica analógica, 'disse o Prof Daley. 'Esses são grandes problemas particularmente interessantes para a indústria que poderíamos imitar em nossos sistemas.'

O poder dos simuladores quânticos vai além de encontrar maneiras de otimizar processos. O professor Daley e seus colegas dizem que uma das primeiras aplicações de seus simuladores quânticos será ajudar a projetar novos materiais, inclusive para nanoeletrônica e supercondutores.

Isso é algo que o projeto Qombs também está buscando, criando uma simulação quântica analógica para projetar uma nova geração de material que pode produzir lasers infravermelhos altamente sintonizáveis. O comprimento de onda - ou cor - dos lasers modernos é determinado pelos elementos do diodo usado para gerar a luz.

Mas, ao cultivar cristais que contêm diferentes concentrações de metais como o alumínio, gálio e arsênico em camadas, os pesquisadores por trás do projeto querem criar materiais semicondutores que podem produzir luz laser em comprimentos de onda que de outra forma seriam impossíveis. Esses dispositivos são conhecidos como lasers em cascata quântica.

Lasers

'Estamos usando simulações quânticas para otimizar e obter novos recursos que irão melhorar o desempenho que é possível com lasers quânticos em cascata hoje, 'disse o Dr. Francesco Cappelli, um pesquisador do Instituto Nacional de Óptica de Florença, Itália, e um membro da equipe Qombs.

Simulando como os elétrons e fótons podem se comportar em diferentes estruturas e concentrações de metais, a equipe espera controlar melhor o comprimento de onda da luz produzida pelos dispositivos.

Se for bem sucedido, pode levar a dispositivos que podem produzir luz com comprimentos de onda extremamente longos que se estendem até o infravermelho médio e distante, algo que atualmente é inatingível.

'Eles podem ser usados ​​na comunicação, como a luz não é absorvida pelos gases na atmosfera nestes comprimentos de onda, 'disse o Dr. Cappelli. 'Não só a atmosfera é transparente, mas a dispersão devido à umidade e poeira também é reduzida em comparação com os lasers visíveis. '

Ajustar os lasers para comprimentos de onda específicos também pode permitir que eles sejam usados ​​em sensores para detectar gases específicos, como poluentes ou outras substâncias nocivas.

Um laser de cascata quântica ajustado para emitir luz com o comprimento de onda exato absorvido pelo dióxido de nitrogênio, por exemplo, poderia ser usado para medir com precisão os níveis de gás em áreas urbanas.

'Projetar cristais semicondutores com esses tipos de propriedades nunca seria possível em computadores clássicos, 'Dr. Capelli disse.

O poder da computação quântica

Em computadores tradicionais, as informações estão contidas em dígitos binários, ou bits, que mantêm um único valor de 1 ou 0.

Em sistemas quânticos, partículas subatômicas podem existir não apenas em estados binários 1 ou 0, mas eles mantêm várias combinações de 1 e 0 ao mesmo tempo para formar um "qubit". Como um qubit pode ser 1, 0, ou 1 e 0 de uma vez, isso significa que muitos outros cálculos podem ser realizados simultaneamente.

Ainda mais estranho, pares de qubits também podem ficar emaranhados de modo que, quando o estado de um é alterado, o outro muda instantaneamente com ele, mesmo se eles estiverem separados por grandes distâncias. Este fenômeno misterioso aumenta exponencialmente a capacidade de processamento de números de uma máquina quântica.