A ciência e a indústria de TI têm grandes esperanças para a computação quântica, mas as descrições de possíveis aplicações tendem a ser vagas. Os pesquisadores da ETH Zurich agora apresentam um exemplo concreto que demonstra o que os computadores quânticos serão realmente capazes de alcançar no futuro.

Os especialistas esperam nada menos do que uma revolução tecnológica dos computadores quânticos, que eles esperam que em breve lhes permita resolver problemas que atualmente são muito complexos para supercomputadores clássicos. As áreas de aplicação comumente discutidas incluem criptografia e descriptografia de dados, bem como problemas especiais nos campos da física, química quântica e pesquisa de materiais.

Mas quando se trata de questões concretas que apenas os computadores quânticos podem responder, os especialistas permaneceram relativamente vagos. Pesquisadores da ETH Zurich e da Microsoft Research apresentam agora um aplicativo específico pela primeira vez em uma revista científica PNAS :avaliando uma reação química complexa. Com base neste exemplo, os cientistas mostram que os computadores quânticos podem de fato fornecer resultados cientificamente relevantes.

Uma equipe de pesquisadores liderada pelos professores da ETH Markus Reiher e Matthias Troyer usou simulações para demonstrar como uma reação química complexa poderia ser calculada com a ajuda de um computador quântico. Para conseguir isso, o computador quântico deve ser de "tamanho moderado", diz Matthias Troyer, que é Professor de Física Computacional na ETH Zurich e atualmente trabalha para a Microsoft. O mecanismo desta reação seria quase impossível de avaliar com um supercomputador clássico sozinho - especialmente se os resultados forem suficientemente precisos.

Uma das enzimas mais complexas

Os pesquisadores escolheram uma reação bioquímica particularmente complexa como exemplo para seu estudo:graças a uma enzima especial conhecida como nitrogenase, certos microrganismos são capazes de dividir as moléculas de nitrogênio atmosférico para criar compostos químicos com átomos de nitrogênio únicos. Ainda não se sabe como funciona exatamente a reação da nitrogenase. "Este é um dos maiores mistérios não resolvidos da química, "diz Markus Reiher, Professor de Química Teórica na ETH Zurique.

Os computadores disponíveis hoje são capazes de calcular o comportamento de moléculas simples com bastante precisão. Contudo, isso é quase impossível para a enzima nitrogenase e seu centro ativo, que é simplesmente muito complexo, explica Reiher.

Nesse contexto, a complexidade é um reflexo de quantos elétrons interagem uns com os outros dentro da molécula em distâncias relativamente longas. Quanto mais elétrons um pesquisador precisa levar em consideração, mais sofisticados os cálculos. "Os métodos existentes e supercomputadores clássicos podem ser usados ​​para avaliar moléculas com cerca de 50 elétrons de interação forte, no máximo, "diz Reiher. No entanto, há um número significativamente maior de tais elétrons no centro ativo de uma enzima nitrogenase. Porque com computadores clássicos, o esforço necessário para avaliar uma molécula dobra com cada elétron adicional, uma quantidade irreal de poder computacional é necessária.

Outra arquitetura de computador

Conforme demonstrado pelos pesquisadores da ETH, computadores quânticos hipotéticos com apenas 100 a 200 bits quânticos (qubits) serão potencialmente capazes de calcular subproblemas complexos em poucos dias. Os resultados desses cálculos poderiam então ser usados ​​para determinar o mecanismo de reação da nitrogenase passo a passo.

O fato de os computadores quânticos serem capazes de resolver tais tarefas desafiadoras é parcialmente o resultado do fato de que eles são estruturados de forma diferente dos computadores clássicos. Em vez de exigir o dobro de bits para avaliar cada elétron adicional, os computadores quânticos simplesmente precisam de mais um qubit.

Contudo, resta saber quando esses computadores quânticos "moderadamente grandes" estarão disponíveis. Os computadores quânticos experimentais atualmente existentes usam na ordem de 20 qubits rudimentares, respectivamente. Vai demorar pelo menos mais cinco anos, ou mais provavelmente dez, antes de termos computadores quânticos com processadores de mais de 100 qubits de alta qualidade, estima Reiher.

Produção em massa e rede

Os pesquisadores enfatizam o fato de que os computadores quânticos não podem lidar com todas as tarefas, então eles servirão como um suplemento para computadores clássicos, em vez de substituí-los. "O futuro será moldado pela interação entre computadores clássicos e computadores quânticos, "diz Troyer.

Com relação à reação da nitrogenase, os computadores quânticos serão capazes de calcular como os elétrons são distribuídos dentro de uma estrutura molecular específica. Contudo, os computadores clássicos ainda precisarão dizer aos computadores quânticos quais estruturas são de particular interesse e, portanto, devem ser calculadas. "Os computadores quânticos precisam ser pensados ​​mais como um coprocessador capaz de assumir tarefas específicas dos computadores clássicos, permitindo assim que se tornem mais eficientes, "diz Reiher.

Explicar o mecanismo da reação da nitrogenase também exigirá mais do que apenas informações sobre a distribuição de elétrons em uma única estrutura molecular; na verdade, essa distribuição precisa ser determinada em milhares de estruturas. Cada cálculo leva vários dias. "Para que os computadores quânticos sejam úteis na solução desses tipos de problemas, eles precisam primeiro ser produzidos em massa, permitindo assim que os cálculos ocorram em vários computadores ao mesmo tempo, "diz Troyer.