Um grupo de cientistas do Fermilab do Departamento de Energia descobriu como usar a computação quântica para simular as interações fundamentais que mantêm nosso universo unido.

Em um artigo publicado em Cartas de revisão física , Os pesquisadores do Fermilab preenchem uma lacuna notável na modelagem do mundo subatômico usando computadores quânticos, abordando uma família de partículas que, até recentemente, tem sido relativamente negligenciado em simulações quânticas.

As partículas fundamentais que compõem o nosso universo podem ser divididas em dois grupos:partículas chamadas férmions, quais são os blocos de construção da matéria, e partículas chamadas bósons, que são partículas de campo e puxam as partículas de matéria.

Nos últimos anos, os cientistas desenvolveram com sucesso algoritmos quânticos para computar sistemas feitos de férmions. Mas eles tiveram muito mais dificuldade em fazer o mesmo com os sistemas bósons.

Pela primeira vez, O cientista do Fermilab Alexandru Macridin encontrou uma maneira de modelar sistemas contendo férmions e bósons em computadores quânticos de uso geral, abrindo uma porta para simulações realistas do reino subatômico. Seu trabalho faz parte do programa de ciências quânticas do Fermilab.

"A representação de bósons na computação quântica nunca foi abordada muito bem na literatura antes, "Disse Macridin." Nosso método funcionou, e melhor do que esperávamos. "

A relativa obscuridade dos bósons na literatura de computação quântica tem a ver em parte com os próprios bósons e em parte com a maneira como a pesquisa em computação quântica evoluiu.

Na última década, o desenvolvimento de algoritmos quânticos focados fortemente na simulação de sistemas puramente fermiônicos, como as moléculas da química quântica.

"Mas em física de alta energia, também temos bósons, e os físicos de alta energia estão particularmente interessados ​​nas interações entre bósons e férmions, "disse o cientista do Fermilab Jim Amundson, co-autor do artigo Physical Review Letters. "Então, pegamos os modelos de férmions existentes e os estendemos para incluir bósons, e fizemos isso de uma maneira nova. "

A maior barreira para modelar bósons está relacionada às propriedades de um qubit - um bit quântico.

Mapeando os estados

Um qubit tem dois estados:um e zero.

De forma similar, um estado de férmion tem dois modos distintos:ocupado e desocupado.

A propriedade de dois estados do qubit significa que ele pode representar um estado de férmion de maneira bastante direta:um estado de qubit é atribuído a "ocupado, " e o outro, "desocupado."

(Você deve se lembrar de algo sobre a ocupação de estados na química do ensino médio:cada um dos orbitais de elétrons de um átomo pode ser ocupado por no máximo um elétron. Portanto, eles estão ocupados ou não. Esses orbitais, por sua vez, se combinam para formar as camadas de elétrons que circundam o núcleo.)

O mapeamento um-para-um entre o estado qubit e o estado férmion torna mais fácil determinar o número de qubits necessários para simular um processo fermiônico. Se você está lidando com um sistema de 40 estados de férmions, como uma molécula com 40 orbitais, você precisará de 40 qubits para representá-lo.

Em uma simulação quântica, um pesquisador configura qubits para representar o estado inicial de, dizer, um processo molecular. Em seguida, os qubits são manipulados de acordo com um algoritmo que reflete como esse processo evolui.

Processos mais complexos precisam de um número maior de qubits. Conforme o número cresce, o mesmo acontece com o poder de computação necessário para executá-lo. Mas mesmo com apenas um punhado de qubits à disposição, os pesquisadores são capazes de resolver alguns problemas interessantes relacionados aos processos de férmions.

"Há uma teoria bem desenvolvida sobre como mapear férmions em qubits, "disse o teórico do Fermilab Roni Harnik, um co-autor do artigo.

Bosons, partículas de força da natureza, são uma história diferente. O negócio de mapeá-los se complica rapidamente. Em parte porque, ao contrário do restrito, estado de férmion de duas opções, os estados do bóson são altamente acomodatícios.

Acomodando bósons

Uma vez que apenas um férmion pode ocupar um estado quântico particular de férmion, esse estado está ocupado ou não - um ou zero.

Em contraste, um estado de bóson pode ser ocupado de forma variável, acomodando um bóson, um zilhão de bósons, ou qualquer coisa no meio. Isso torna difícil mapear bósons para qubits. Com apenas dois estados possíveis, um único qubit não pode, por si próprio, representam um estado bóson.

Com bósons, a questão não é se o qubit representa um estado ocupado ou desocupado, mas sim, quantos qubits são necessários para representar o estado do bóson.

"Os cientistas descobriram maneiras de codificar bósons em qubits que exigiriam um grande número de qubits para fornecer resultados precisos, "Amundson disse.

Um número proibitivamente grande, em muitos casos. Por alguns métodos, uma simulação útil precisaria de milhões de qubits para modelar fielmente um processo de bóson, como a transformação de uma partícula que finalmente produz uma partícula de luz, que é um tipo de bóson.

E isso é apenas para representar a configuração inicial do processo, muito menos deixá-lo evoluir.

A solução de Macridin foi reformular o sistema bóson como outra coisa, algo muito familiar para os físicos - um oscilador harmônico.

Os osciladores harmônicos estão em toda parte na natureza, das escalas subatômicas às astronômicas. A vibração das moléculas, o pulso de corrente através de um circuito, o movimento para cima e para baixo de uma mola carregada, o movimento de um planeta em torno de uma estrela - todos são osciladores harmônicos. Mesmo partículas bosônicas, como aqueles que Macridin parecia simular, podem ser tratados como pequenos osciladores harmônicos. Graças à sua onipresença, Os osciladores harmônicos são bem conhecidos e podem ser modelados com precisão.

Com formação em física da matéria condensada - o estudo da natureza alguns degraus acima de sua base de partículas - Macridin estava familiarizado com a modelagem de osciladores harmônicos em cristais. Ele encontrou uma maneira de representar um oscilador harmônico em um computador quântico, mapeando tais sistemas para qubits com precisão excepcional e permitindo a simulação precisa de bósons em computadores quânticos.

E com um baixo custo de qubit:representar um oscilador harmônico discreto em um computador quântico requer apenas alguns qubits, mesmo que o oscilador represente um grande número de bósons.

"Nosso método requer um número relativamente pequeno de qubits para estados de bóson - exponencialmente menor do que o que foi proposto por outros grupos antes, "Disse Macridin." Para outros métodos fazerem a mesma coisa, eles provavelmente precisariam de um número de ordens de magnitude maior de qubits. "

Macridin estima que seis qubits por estado de bóson são suficientes para explorar problemas de física interessantes.

Sucesso de simulação

Como um teste do método de mapeamento da Macridin, o grupo Fermilab primeiro explorou a teoria quântica de campos, um ramo da física que se concentra na modelagem de estruturas subatômicas. Eles modelaram com sucesso a interação dos elétrons em um cristal com as vibrações dos átomos que formam o cristal. A 'unidade' dessa vibração é um bóson chamado fônon.

Usando um simulador quântico no vizinho Laboratório Nacional de Argonne, eles modelaram o sistema elétron-fônon e - voilà! - eles mostraram que podiam calcular, com alta precisão, as propriedades do sistema usando apenas cerca de 20 qubits. O simulador é um computador clássico que simula como um computador quântico, até 35 qubits, trabalho. Os pesquisadores da Argonne aproveitam o simulador e sua experiência em algoritmos escalonáveis ​​para explorar o impacto potencial da computação quântica em áreas-chave, como química quântica e materiais quânticos.

“Mostramos que a técnica funcionou, "Harnik disse.

Eles ainda mostraram que, representando bósons como osciladores harmônicos, pode-se descrever com eficiência e precisão os sistemas que envolvem interações férmion-bóson.

"Acabou sendo um bom ajuste, "Amundson disse.

"Eu comecei com uma ideia, e não funcionou, então eu mudei a representação dos bósons, "Disse Macridin." E funcionou bem. Isso torna a simulação de sistemas férmions-bóson viável para computadores quânticos de curto prazo. "

Aplicação universal

A simulação do grupo do Fermilab não é a primeira vez que cientistas modelam bósons em computadores quânticos. Mas nos outros casos, cientistas usaram hardware projetado especificamente para simular bósons, então a evolução simulada de um sistema bóson aconteceria naturalmente, por assim dizer, nesses computadores especiais.

A abordagem do grupo Fermilab é a primeira que pode ser aplicada de forma eficiente em um propósito geral, computador quântico digital, também chamado de computador quântico universal.

A próxima etapa para Macridin, Amundson e outros físicos de partículas do Fermilab vão usar seu método em problemas de física de alta energia.

"Na natureza, as interações férmion-bóson são fundamentais. Eles aparecem em todos os lugares, "Disse Macridin." Agora podemos estender nosso algoritmo a várias teorias em nosso campo. "

Sua conquista vai além da física de partículas. Amundson diz que seu grupo ouviu cientistas de materiais que pensam que o trabalho pode ser útil na solução de problemas do mundo real em um futuro próximo.

"Introduzimos bósons de uma nova maneira que requer menos recursos, "Amundson disse." Isso realmente abre uma nova classe de simulações quânticas. "