Uma das classes de problemas mais importantes que todos os cientistas e matemáticos aspiram resolver, devido à sua relevância na ciência e na vida real, são problemas de otimização. De enigmas esotéricos da ciência da computação aos problemas mais realistas de roteamento de veículos, design de portfólio de investimento, e marketing digital - no centro de tudo está um problema de otimização que precisa ser resolvido.

Uma técnica atraente frequentemente usada na resolução de tais problemas é a técnica de 'recozimento quântico, 'uma estrutura que lida com problemas de otimização usando' tunelamento quântico '- um fenômeno físico quântico - para escolher uma solução ótima entre várias soluções candidatas. Ironicamente, é em problemas de mecânica quântica onde a técnica encontrou aplicação bastante escassa. "Químicos e cientistas de materiais, que lidam com problemas quânticos, não estão familiarizados com o recozimento quântico e, portanto, não pensam em usá-lo. Encontrar aplicações desta técnica é, portanto, importante para aumentar seu reconhecimento como um método útil neste domínio, "diz o Prof. Ryo Maezono do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), que se especializou na aplicação da ciência da informação ao campo da ciência dos materiais.

Para esse fim, Prof. Maezono explorou, em um estudo recente publicado em Relatórios Científicos , o fenômeno da difusão iônica em sólidos, um tópico de grande interesse na ciência dos materiais puros e aplicados, junto com seus colegas, Keishu Utimula, um Ph.D. graduado em ciência dos materiais pela JAIST (em 2020) e principal autor do estudo, Prof. Kenta Hongo, e o Prof. Kousuke Nakano, aplicando uma estrutura que combinava o recozimento quântico com cálculos ab initio, um método que calcula as propriedades físicas dos materiais sem depender de dados experimentais. "Embora as técnicas ab initio atuais possam fornecer informações sobre as redes de caminhos de difusão dos íons, é difícil mapear essa informação em conhecimento útil do coeficiente de difusão, uma quantidade praticamente relevante, "explica o Prof. Maezono.

Especificamente, a equipe procurou calcular o 'fator de correlação, 'uma quantidade chave no processo de difusão, e percebi que isso poderia ser feito enquadrando o processo como um problema de otimização de roteamento, que é precisamente o que a estrutura de recozimento quântico foi projetada para resolver! De acordo, os cientistas calcularam o fator de correlação para uma rede tetragonal bidimensional simples, para o qual eles já sabiam o resultado exato, usando recozimento quântico e uma variedade de outras técnicas computacionais e comparando seus resultados.

Embora os fatores de correlação avaliados fossem consistentes com o resultado analítico para todos os métodos empregados, todas as abordagens sofreram de limitações devido a custos computacionais irrealistas para grandes tamanhos de sistema. Contudo, os cientistas notaram que a despesa computacional para o recozimento quântico cresceu muito mais lentamente de forma linear em comparação com as outras técnicas, que apresentou rápido crescimento exponencial.

O Prof. Maezono está animado com a descoberta e está confiante de que, com avanço tecnológico suficiente, o recozimento quântico se apresentaria como a melhor escolha possível para resolver problemas na ciência dos materiais. "O problema da difusão iônica em sólidos é de importância central na construção de baterias menores com maior capacidade ou no aprimoramento da resistência do aço. Nosso trabalho mostra que o recozimento quântico é eficaz na solução desse problema e pode expandir o escopo da ciência dos materiais como um todo, "conclui.