Com um coprocessador quântico na nuvem, físicos de Innsbruck, Áustria, abre a porta para a simulação de problemas anteriormente insolúveis em química, pesquisa de materiais ou física de alta energia. Os grupos de pesquisa liderados por Rainer Blatt e Peter Zoller relatam na revista Natureza como eles simularam fenômenos de física de partículas em 20 bits quânticos e como o simulador quântico autoverificou o resultado pela primeira vez.

Muitos cientistas estão trabalhando atualmente na investigação de como a vantagem quântica pode ser explorada em hardware já disponível hoje. Três anos atrás, os físicos primeiro simularam a formação espontânea de um par de partículas elementares com um computador quântico digital na Universidade de Innsbruck. Devido à taxa de erro, Contudo, simulações mais complexas exigiriam um grande número de bits quânticos que ainda não estão disponíveis nos computadores quânticos de hoje. A simulação analógica de sistemas quânticos em um computador quântico também tem limites estreitos. Usando um novo método, pesquisadores em torno de Christian Kokail, Christine Maier e Rick van Bijnen, do Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica (IQOQI) da Academia Austríaca de Ciências, já ultrapassaram esses limites. Eles usam um computador quântico com armadilha de íons programável com 20 bits quânticos como um coprocessador quântico, em que cálculos de mecânica quântica que chegam aos limites dos computadores clássicos são terceirizados. “Usamos os melhores recursos de ambas as tecnologias, "explica a física experimental Christine Maier." O simulador quântico assume os problemas quânticos complexos computacionalmente e o computador clássico resolve as tarefas restantes. "

Caixa de ferramentas para modeladores quânticos

Os cientistas usam o método variacional conhecido da física teórica, mas aplique-o em seu experimento quântico. “A vantagem deste método reside no fato de que podemos usar o simulador quântico como um recurso quântico que é independente do problema sob investigação, "explica Rick van Bijnen." Desta forma, podemos simular problemas muito mais complexos. "Uma comparação simples mostra a diferença:um simulador quântico analógico é como uma casa de boneca, representa a realidade. O simulador quântico variacional programável, por outro lado, oferece blocos de construção individuais com os quais muitas casas diferentes podem ser construídas. Em simuladores quânticos, esses blocos de construção são portas de emaranhamento e rotações de giro único. Com um computador clássico, este conjunto de botões é ajustado até que o estado quântico pretendido seja alcançado. Para isso, os físicos desenvolveram um algoritmo de otimização sofisticado que em cerca de 100, 000 solicitações do coprocessador quântico pelo computador clássico levam ao resultado. Juntamente com os ciclos de medição extremamente rápidos do experimento quântico, o simulador em IQOQI Innsbruck torna-se extremamente poderoso. Pela primeira vez, os físicos simularam a criação e destruição espontânea de pares de partículas elementares no vácuo em 20 bits quânticos. Como o novo método é muito eficiente, também pode ser usado em simuladores quânticos ainda maiores. Os pesquisadores de Innsbruck planejam construir um simulador quântico com até 50 íons em um futuro próximo. Isso abre perspectivas interessantes para futuras investigações de modelos de estado sólido e problemas de física de alta energia.

Autoverificação integrada

Um problema não resolvido anteriormente em simulações quânticas complexas é a verificação dos resultados da simulação. "Esses cálculos dificilmente podem ou não podem ser verificados usando computadores clássicos. Então, como verificamos se o sistema quântico oferece o resultado correto, "pergunta o físico teórico Christian Kokail." Resolvemos essa questão pela primeira vez fazendo medições adicionais no sistema quântico. Com base nos resultados, a máquina quântica avalia a qualidade da simulação, "explica Kokail. Esse mecanismo de verificação é o pré-requisito para simulações quânticas ainda mais complexas, porque o número necessário de bits quânticos aumenta drasticamente. "Ainda podemos testar a simulação em 20 bits quânticos em um computador clássico, mas com simulações mais complexas, isso simplesmente não é mais possível, "diz Rick van Bijnen." Em nosso estudo, o experimento quântico foi ainda mais rápido do que a simulação de controle no PC. No fim, tivemos que retirá-lo da corrida para não retardar o experimento, "diz o físico.