p Na resolução de problemas físicos quânticos em sistemas de muitos corpos, como a previsão de propriedades do material, os computadores convencionais atingem rapidamente os limites de sua capacidade. Simuladores quânticos digitais podem ajudar, mas até agora eles estão drasticamente limitados a pequenos sistemas com poucas partículas e apenas curtos tempos de simulação. Agora, O físico da Universidade de Heidelberg, Dr. Philipp Hauke, e colegas de Dresden e Innsbruck (Áustria) demonstraram que tais simulações podem ser mais robustas e, portanto, muito mais estáveis ​​do que se supunha anteriormente. Os resultados de sua pesquisa foram publicados em Avanços da Ciência . p Na física quântica, a teoria de muitos corpos descreve um grande número de partículas em interação. No estado de equilíbrio termodinâmico, o sistema de muitos corpos pode ser descrito por apenas um punhado de valores, como temperatura ou pressão, que são amplamente homogêneos para todo o sistema. Mas o que acontece ao longo do tempo após uma grande perturbação, como quando a energia é abruptamente depositada em uma amostra de material por curtos pulsos de laser? O cálculo preciso da chamada dinâmica de não-equilíbrio de sistemas de muitos corpos em interação é um problema de alto perfil na física quântica.

p Os cálculos usando computadores convencionais requerem recursos que aumentam exponencialmente com o número de partículas quânticas constituintes. "Portanto, os métodos computacionalmente exatos falham com apenas algumas dezenas de partículas. Isso é muito menos do que o número necessário para prever as propriedades do material, por exemplo. Em tais casos, cientistas contam com métodos de aproximação que muitas vezes não são controlados, particularmente quando se trata de propriedades dinâmicas, "explica o Dr. Hauke, pesquisador do Instituto de Física Kirchhoff e do Instituto de Física Teórica da Universidade de Heidelberg. A simulação quântica digital fornece uma solução alternativa possível. As dinâmicas de não-equilíbrio são estudadas com simuladores que são governados por leis da mecânica quântica.

p Descrever a evolução do tempo em um computador quântico requer discretizá-lo em operações individuais. Mas essa abordagem - também conhecida como trotterização - inevitavelmente gera um erro inerente à própria simulação. Este erro do trotador pode ser mitigado por discretizações suficientemente finas. Etapas de discretização extremamente pequenas devem ser escolhidas, Contudo, para retratar de forma confiável uma evolução de tempo mais longo. Até agora, a pesquisa sustentou que o erro cresce rapidamente ao longo de longos períodos de tempo e com um maior número de partículas - o que, para todos os fins práticos, limita drasticamente a simulação quântica digital a sistemas pequenos e tempos curtos.

p Usando demonstrações numéricas e argumentos analíticos, os pesquisadores agora mostraram que a simulação quântica é muito mais "robusta" e, portanto, mais estável do que se supunha anteriormente, contanto que apenas os valores que são relevantes na prática - como médias em todo o sistema - sejam considerados e não o estado completo de cada partícula individual. Para tais valores, há um limite nítido entre uma região com erros controláveis ​​e uma simulação que não pode mais fornecer um resultado utilizável. Abaixo deste limite, o erro do Trotador tem apenas impacto limitado - na verdade, para todos os períodos de tempo que podem ser simulados de forma prática e amplamente independente do número de partículas constituintes.

p Ao mesmo tempo, a pesquisa mostrou que a simulação quântica digital pode fornecer resultados surpreendentemente precisos usando passos Trotter inesperadamente grandes. "Uma simulação que pode prever o comportamento de muitas partículas quânticas por um longo tempo torna-se cada vez mais provável. Isso abre ainda mais a porta para aplicações práticas, variando de ciência de materiais e química quântica a questões de física fundamental, "afirma o Dr. Hauke, que dirige o grupo de pesquisa "Óptica quântica e teoria quântica de muitos corpos".