Dada uma lista de cidades e as distâncias entre cada par de cidades, como você determina a rota mais curta que visita cada cidade exatamente uma vez e retorna ao local de partida? Esse famoso problema é chamado de 'problema do caixeiro-viajante' e é um exemplo de problema de otimização combinatória. Resolver esses problemas usando computadores convencionais pode consumir muito tempo, e dispositivos especiais chamados 'annealers quânticos' foram criados para esse propósito.

Os recozedores quânticos são projetados para encontrar o estado de menor energia (ou estado fundamental) do que é conhecido como um modelo de Ising. Esses modelos são representações abstratas de um sistema mecânico quântico envolvendo spins interativos que também são influenciados por campos magnéticos externos. No final dos anos 90, cientistas descobriram que problemas de otimização combinatória podem ser formulados como modelos de Ising, que, por sua vez, pode ser implementado fisicamente em recozedores quânticos. Para obter a solução para um problema de otimização combinatória, basta observar o estado fundamental alcançado em seu recozedor quântico associado após um curto período de tempo.

Um dos maiores desafios neste processo é a transformação do modelo de Ising lógico em um modelo de Ising fisicamente implementável adequado para recozimento quântico. As vezes, os valores numéricos das interações de spin ou os campos magnéticos externos requerem um número de bits para representá-los (largura de bits) muito grande para um sistema físico. Isso limita severamente a versatilidade e aplicabilidade dos recozedores quânticos para problemas do mundo real. Felizmente, em um estudo recente publicado em Transações IEEE em computadores , cientistas do Japão abordaram essa questão. Baseado puramente na teoria matemática, eles desenvolveram um método pelo qual um determinado modelo lógico de Ising pode ser transformado em um modelo equivalente com uma largura de bit desejada, de modo que se ajuste a uma implementação física desejada.

Sua abordagem consiste em adicionar spins auxiliares ao modelo de Ising para interações problemáticas ou campos magnéticos de forma que o estado fundamental (solução) do modelo transformado seja o mesmo que o do modelo original, embora também exija uma largura de bit menor. A técnica é relativamente simples e totalmente garantida para produzir um modelo de Ising equivalente com a mesma solução do original. "Nossa estratégia é a primeira do mundo a abordar de forma eficiente e teórica o problema de redução de largura de bits nas interações de spin e coeficientes de campo magnético em modelos de Ising, "comenta o professor Nozomu Togawa, da Universidade Waseda, Japão, quem conduziu o estudo.

Os cientistas também colocaram seu método à prova em vários experimentos, o que confirmou ainda mais a sua validade. Prof. Togawa tem grandes esperanças, e ele conclui dizendo, "A abordagem desenvolvida neste estudo ampliará a aplicabilidade dos recozedores quânticos e os tornará muito mais atraentes para pessoas que lidam não apenas com modelos de Ising físicos, mas com todos os tipos de problemas de otimização combinatória. Tais problemas são comuns em criptografia, logística, e inteligência artificial, entre muitos outros campos. "