A corrida para o primeiro computador quântico prático está a todo vapor. Empresas, países, colaboradores, e concorrentes em todo o mundo estão disputando a supremacia quântica. O Google diz que já está lá. Mas o que isso significa? Como o mundo saberá quando isso foi alcançado?

Usando computadores clássicos, cientistas computacionais do PNNL estabeleceram uma marca que um sistema quântico precisaria superar para estabelecer a supremacia quântica no reino da química.

Isso porque os computadores clássicos mais rápidos disponíveis hoje estão ficando cada vez melhores na simulação do que se espera que um computador quântico faça. Para se provar no mundo real, um computador quântico precisará ser capaz de superar o que um supercomputador rápido pode fazer. E é aí que a equipe liderada pelo PNNL estabeleceu uma referência a ser vencida pelos computadores quânticos.

"A simulação clássica de problemas de química quântica serve como um marco para os computadores quânticos, "disse Karol Kowalski, um químico computacional no PNNL. "Quando um computador quântico pode vencer o que nossos melhores sistemas de computação paralela podem fazer, os desenvolvedores de computação quântica saberão que estão onde precisam estar. Esta é uma referência para inspirar a inovação. "

Em 113 elétrons, a recente simulação de benchmark é o maior sistema quântico já simulado neste nível preciso de precisão usando um computador clássico. Trabalhando com colaboradores na Hungria e na República Tcheca, a equipe do PNNL definiu o benchmark ao simular a estrutura de uma importante estrutura química na nitrogenase, uma enzima que converte o nitrogênio da atmosfera em fertilizante utilizável para as plantas. A enzima é objeto de intenso estudo porque pode ser a chave para a produção de alimentos suficientes para alimentar uma população global cada vez maior.

Compreendendo como esta enzima é capaz de quebrar a forte ligação tripla do nitrogênio, enquanto gasta muito pouca energia, pode ser a chave para o novo design de catalisador, eventualmente fornecendo fertilizante abundante atualmente produzido usando um processo químico que requer grandes entradas de energia.

Reduzindo o problema da química quântica

"A química quântica complexa é exatamente o tipo de problema em que ter um computador quântico disponível pode realmente fazer a diferença, "disse Sriram Krishnamoorthy, um especialista em computação de alto desempenho e cientista líder em computação quântica da PNNL. “Estamos trabalhando na criação de programas que serão executados em computadores quânticos.

"Quando os computadores quânticos chegam, estaremos prontos para eles, "disse Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, e seus colegas PNNL estão trabalhando em colaboração com parceiros da Microsoft, através do Northwest Quantum Nexus, para simular como um computador quântico funcionará e escrever programas que funcionarão em qualquer computador quântico que emerja da intensa competição global.

"Computadores convencionais, incluindo os supercomputadores mais rápidos de hoje, são inadequados para simular sistemas quânticos necessários para descrever sistemas e processos moleculares desafiadores e importantes, "disse Kowalski." Melhores ferramentas computacionais são necessárias para entender os sistemas químicos e projetar novos materiais. "

Até que um computador quântico em grande escala esteja disponível, a equipe PNNL trabalhou com especialistas da Microsoft para desenvolver uma ponte entre os computadores digitais atuais e o que vem a seguir. O fluxo de trabalho aproveita o que os computadores clássicos fazem bem agora, enquanto usa os recursos atuais da computação quântica para descrever as transformações químicas relevantes para processos industriais, como geração e armazenamento de energia.

A chave, de acordo com a equipe de pesquisa, era pegar a saída de um computador clássico e ser capaz de converter essa informação em uma entrada que pudesse ser interpretada por um computador quântico. Os pesquisadores publicaram esse método de computação quântica em meados de 2019.

Desde então, a equipe PNNL deu mais um grande passo na ponte entre os computadores clássicos e quânticos. Eles desenvolveram um algoritmo de computador que tira proveito de um truque matemático chamado "downfolding". Essencialmente, o downfolding torna os cálculos difíceis e demorados possíveis nos atuais computadores quânticos de test-bed.

"Isso é como encolher uma caixa grande em uma caixa muito menor, "disse Kowalski." Neste caso, a caixa representa um grande espaço numérico. Usamos uma descrição mais compacta em um computador quântico, e o que sai representa com precisão a energia de um sistema muito maior. É uma ponte entre a computação clássica e o que será a computação quântica nos próximos anos. "

Pode parecer um truque de mágica matemática, mas Kowalski acrescenta que o método usa propriedades da mecânica quântica e uma série de teorias matemáticas rigorosas que são confiáveis ​​e reproduzíveis.

Abrindo novas portas

O método de downfolding não só abre caminhos para a computação quântica, também possibilita novos, maneiras muito mais eficientes e precisas de analisar e validar as resmas de dados gerados todos os dias a partir do investimento dos EUA em fontes de luz suportadas pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) usadas para estudar nosso mundo em detalhes subatômicos.

"Nós mostramos como o comportamento quântico de estados eletrônicos excitados pode ser analisado com downfolding hamiltoniano, "disse Kowalski." Isso fornece uma maneira de usar a teoria para validar a interpretação dos dados. "

Essas etapas provisórias no caminho para a computação quântica são essenciais porque fornecem referências essenciais que ajudam a mostrar o quão perto o mundo está de alcançar a supremacia quântica.

"Seremos capazes de testar a saída de computadores quânticos em relação a esses cálculos, "disse Krishnamoorthy." Se os computadores quânticos podem produzir resultados próximos a esses resultados, saberemos que funcionam. "