"Pense no que podemos fazer se ensinarmos um computador quântico a fazer mecânica estatística, "colocou Michael McGuigan, um cientista da computação com a Iniciativa de Ciência da Computação no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA.

No momento, McGuigan estava refletindo sobre Ludwig Boltzmann e como o renomado físico teve que defender vigorosamente suas teorias de mecânica estatística. Boltzmann, que apresentou suas ideias sobre como as propriedades atômicas determinam as propriedades físicas da matéria no final do século 19, tinha um obstáculo extraordinariamente grande:nem sequer foi provado que os átomos existiam na época. O cansaço e o desânimo decorrentes de seus colegas não aceitarem seus pontos de vista sobre átomos e física sempre assombraram Boltzmann.

Hoje, O fator de Boltzmann, que calcula a probabilidade de que um sistema de partículas possa ser encontrado em um estado de energia específico em relação à energia zero, é amplamente utilizado na física. Por exemplo, O fator de Boltzmann é usado para realizar cálculos nos maiores supercomputadores do mundo para estudar o comportamento dos átomos, moléculas, e a "sopa" quark descoberta usando instalações como o Relativistic Heavy Ion Collider localizado no Brookhaven Lab e o Large Hadron Collider no CERN.

Embora tenha sido necessária uma grande mudança para mostrar que Boltzmann estava certo, cientistas da computação agora estão no precipício de uma nova onda de computação, fazendo o salto de supercomputadores e bytes para sistemas quânticos e bits quânticos (ou "qubits"). Esses computadores quânticos têm o potencial de desvendar alguns dos conceitos mais misteriosos da física. E, estranhamente, esses assim chamados mistérios podem parecer um pouco familiares para muitos.

Tempo e temperatura trazidos a você por ...

Embora a maioria das pessoas esteja bem familiarizada com as noções de tempo e temperatura e as verifique várias vezes ao dia, Acontece que esses conceitos básicos permanecem enigmáticos na física.

O fator de Boltzmann ajuda a modelar os efeitos da temperatura que podem ser usados ​​para prever e controlar o comportamento atômico e propriedades físicas, e funcionam muito bem em computadores clássicos. Contudo, em um computador quântico, as portas lógicas quânticas usadas na computação (semelhantes às portas lógicas encontradas em circuitos digitais) são representadas por números complexos, em oposição ao fator de Boltzmann, que por definição, é real.

Esta edição ofereceu a McGuigan e seu aluno / co-autor Raffaele Miceli um problema interessante para resolver usando um testbed de computação quântica fornecido por meio do acordo de acesso do Laboratório Brookhaven aos sistemas universais de computação quântica da IBM, por meio do IBM Q Hub no Oak Ridge National Laboratory. A colaboração permite Brookhaven (entre outros em rede) acesso aos sistemas quânticos comerciais da IBM, incluindo sistemas de 20 e 53 qubit para experimentos.

"Em um computador quântico, existe outra maneira de simular temperatura finita chamada dinâmica de campo térmico, que é capaz de calcular quantidades que são dependentes do tempo e da temperatura, "McGuigan explicou." Neste formalismo, você constrói um duplo do sistema, chamado de termo duplo, em seguida, prossiga com o cálculo em um computador quântico, pois o cálculo pode ser representado em termos de portas lógicas quânticas com números complexos.

"No fim, você pode somar os estados duplos e gerar um fator de Boltzmann efetivo para cálculos em temperatura finita, "ele continuou." Existem também certas vantagens do formalismo. Por exemplo, você pode estudar os efeitos da temperatura finita e como o sistema evolui em tempo real à medida que o tempo e a temperatura são separados usando este algoritmo quântico. Uma desvantagem é que ele requer duas vezes mais qubits do que um cálculo de temperatura zero para lidar com os estados duplos. "

Miceli e McGuigan demonstraram como implementar o algoritmo quântico para dinâmica de campo térmico para temperatura finita em um sistema simples envolvendo algumas partículas e encontraram concordância perfeita com a computação clássica.

Seu trabalho usou recursos da computação clássica e quântica. De acordo com McGuigan, eles usaram o software de computação quântica de código aberto Qiskit que lhes permitiu criar seu algoritmo na nuvem. Qiskit então transpilou esse código para pulsos que se comunicam com um computador quântico em tempo real (neste caso, um dispositivo IBM Q). Os otimizadores que executam algoritmos clássicos permitem ainda mais a alternância entre os sistemas tradicional e quântico.

"Nosso experimento mostra que os sistemas quânticos têm a vantagem de representar cálculos em tempo real exatamente, em vez de girar do tempo imaginário para o tempo real para encontrar um resultado, "McGuigan explicou." Ele oferece uma imagem mais verdadeira de como um sistema evolui. Podemos mapear o problema para uma simulação quântica que permite que ele evolua. "

No Cosmos

A cosmologia quântica é outra área em que McGuigan antecipa que as novas opções de computação quântica terão um impacto profundo. Apesar da infinidade de avanços na compreensão do universo possibilitados pelos supercomputadores modernos, alguns sistemas físicos permanecem fora de seu alcance. A complexidade matemática, que geralmente inclui a contabilização da teoria da gravidade quântica completa, é simplesmente grande demais para obter soluções exatas. Contudo, um verdadeiro computador quântico, completo com a capacidade de explorar emaranhamento e superposição, iria expandir as opções para novos, algoritmos mais precisos.

"Os sistemas quânticos podem realizar integrais de caminho em tempo real, dando-nos acesso a simulações em grande escala do universo, "McGuigan disse." Você pode visualizar a função de onda calculada do universo à medida que ele evolui sem primeiro formular uma teoria completa da gravidade quântica.

Novamente, usando o pacote Qiskit e acesso ao hardware IBM Q, McGuigan e seu colaborador Charles Kocher, um estudante da Brown University, empregou uma mistura de métodos computacionais clássicos e VQE para executar diversos experimentos, incluindo um que examinou sistemas com gravidade acoplada a um campo de bóson chamado inflaton, uma partícula hipotética que desempenha um papel importante na cosmologia moderna. Seu trabalho mostrou que o VQE híbrido produziu funções de onda consistentes com a equação de Wheeler-Dewitt, que combina matematicamente a mecânica quântica com a teoria da relatividade de Albert Einstein.

Inspiração em escala crescente

Embora os primeiros experimentos quânticos estejam levando a diferentes perspectivas dos fundamentos da física, Espera-se que a computação quântica contribua com grandes avanços para a solução de problemas de longa data que afetam as missões do DOE. Entre eles, pode ser uma ferramenta para revelar novos materiais, resolvendo desafios de energia, ou adicionando conhecimentos fundamentais (como tempo e temperatura) em física e cosmologia de alta energia. Por sua vez, essas mudanças podem se espalhar em áreas mais facilmente reconhecíveis.

Por exemplo, os desenvolvedores de drogas precisam de mecânica quântica mais desenvolvida para entender a estrutura das moléculas. Os computadores quânticos podem permitir descobertas, proporcionando simulações da mecânica quântica completa que forneceriam um ponto de vista verdadeiramente prático.

"Parece que sempre há interesse no básico por trás da física, "McGuigan disse." Tem sido do interesse do público por milênios. Agora mesmo, a combinação de conhecimento teórico e tecnologia real está convergindo com a computação quântica. Ainda, ainda é um esforço muito humano. "

Por enquanto, usar computadores quânticos de curto prazo para resolver pequenos problemas de campo térmico ou para dar uma nova olhada em um antigo universo está inspirando pesquisadores a escalar seus algoritmos enquanto fazem coisas maiores na ciência.

"Somos encorajados a fazer coisas diferentes. Todos nós fazemos, "McGuigan disse." Outros grupos ao redor do mundo, como o Perimeter Institute no Canadá e a Universiteit van Amsterdam na Holanda, já estão estendendo o algoritmo quântico duplo de campo térmico para sistemas ainda maiores. Com o surgimento de grandes computadores quânticos de curto prazo de 50-100 qubits, o objetivo é executar simulações de temperatura finitas em sistemas realistas envolvendo muitas partículas. É emocionante ter um computador quântico real para testar essas idéias e problemas para os quais não tínhamos solução. Mecânica quântica sem compensações - é disso que trata a ciência. "