Furacões, engarrafamentos, desenvolvimento demográfico - para prever o efeito de tais eventos, simulações de computador são necessárias. Muitos processos na natureza, Contudo, são tão complicados que os computadores convencionais falham. Simuladores quânticos podem resolver esse problema. Um dos fenômenos básicos da natureza é a interação entre a luz e a matéria na fotossíntese. Os físicos do Karlsruhe Institute of Technology (KIT) deram agora um grande passo em direção ao entendimento da mecânica quântica do metabolismo das plantas. Isso é relatado no Nature Communications Diário.

"Um simulador quântico é o estágio preliminar de um computador quântico. Ao contrário de um computador quântico, Contudo, não é capaz de fazer nenhum cálculo, mas é projetado para a solução de um certo problema, "diz Jochen Braumüller do Physikalisches Institut (Instituto de Física) do KIT. Como a alta eficiência da fotossíntese não pode ser compreendida completamente com as teorias físicas clássicas, pesquisadores como Braumüller usam um modelo quântico. Juntamente com cientistas do Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Instituto de Física Teórica do Estado Sólido), ele demonstrou pela primeira vez em um experimento que as simulações quânticas da interação entre a luz e a matéria funcionam em princípio.

A interação entre a luz e a matéria na fotossíntese pode ser descrita como uma interação dos fótons da luz com os átomos da matéria no nível microscópico. A alta eficiência deste mecanismo de quase 100 por cento sugere que ele está sujeito às regras da física quântica, o que é difícil de simular com computadores clássicos e bits simples. Na computação padrão, as informações são representadas por um switch que pode armazenar informações como zero ou um. Bits quânticos, por contraste, são capazes de assumir os estados de zero e um ao mesmo tempo de acordo com as regras da física quântica. Portanto, computadores quânticos ou os simuladores quânticos mais simples podem resolver o problema de forma mais rápida e eficiente.

Braumüller e seus co-autores desenvolveram agora um dos primeiros componentes funcionais para um simulador quântico de interação luz-matéria:circuitos supercondutores como bits quânticos representam os átomos, enquanto os ressonadores eletromagnéticos representam os fótons. Os físicos conseguiram produzir um efeito com o bit quântico e o ressonador assumindo dois estados opostos ao mesmo tempo. "Qubit e ressonador são acoplados, "diz Michael Marthaler da KIT's TFP." Esta é também a razão para a capacidade de cálculo exponencialmente melhorada em comparação com os computadores clássicos. "O cumprimento deste princípio fundamental da mecânica quântica demonstrou a viabilidade da simulação quântica analógica com circuitos supercondutores, dizem os pesquisadores.

Como uma próxima etapa, eles planejam estender seu sistema por meio de muitos outros blocos de construção. "A simulação clássica deste sistema estendido levaria mais tempo do que a idade do universo, "diz Martin Weides, que lidera um grupo de trabalho no Physikalisches Institut do KIT desde 2015. Se a simulação de mecânica quântica planejada for bem-sucedida, este será um "marco no caminho para um computador quântico universal".