Os computadores quânticos prometem revolucionar a ciência, permitindo cálculos que antes eram considerados impossíveis. Mas para que os computadores quânticos se tornem uma realidade cotidiana, há um longo caminho a percorrer com muitos testes desafiadores a serem aprovados.
Um dos testes envolve o uso de computadores quânticos para simular as propriedades dos materiais para tecnologias quânticas de próxima geração.

Em um novo estudo do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Chicago, os pesquisadores realizaram simulações quânticas de defeitos de spin, que são impurezas específicas em materiais que podem oferecer uma base promissora para novas tecnologias quânticas. O estudo melhorou a precisão dos cálculos em computadores quânticos, corrigindo o ruído introduzido pelo hardware quântico.

A pesquisa foi conduzida como parte do Centro Integrado do Centro-Oeste para Materiais Computacionais (MICCoM), um programa de ciência de materiais computacionais do DOE com sede em Argonne, bem como o Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do DOE.

"As razões pelas quais fazemos esses tipos de simulações são para obter uma compreensão fundamental das propriedades dos materiais e também para dizer aos experimentalistas como eventualmente projetar melhores materiais para novas tecnologias", disse Giulia Galli, professora da Escola Pritzker de Engenharia Molecular e do Departamento de Química da Universidade de Chicago, cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne, colaborador da Q-NEXT e diretor do MICCoM. "Os resultados experimentais obtidos para sistemas quânticos são muitas vezes bastante intrincados e podem ser difíceis de interpretar. Ter uma simulação é importante para ajudar a interpretar os resultados experimentais e, em seguida, apresentar novas previsões."

Embora as simulações quânticas tenham sido feitas há muito tempo em computadores tradicionais, os computadores quânticos podem resolver problemas que mesmo os computadores tradicionais mais poderosos de hoje não conseguem resolver. Atingir esse objetivo ainda está para ser visto, pois os pesquisadores em torno do trabalho continuam o esforço para construir e usar computadores quânticos

"Queremos aprender a usar novas tecnologias computacionais que estão em ascensão", disse Galli, principal autor do artigo. “Desenvolver estratégias robustas nos primeiros dias da computação quântica é um primeiro passo importante para entender como usar essas máquinas de forma eficiente no futuro”.

Observar os defeitos de rotação oferece um sistema do mundo real para validar os recursos dos computadores quânticos.

“A grande maioria dos cálculos com computadores quânticos hoje em dia são em sistemas modelo”, disse Galli. "Esses modelos são interessantes na teoria, mas simular um material real de interesse experimental é mais valioso para toda a comunidade científica."

Realizar cálculos das propriedades de materiais e moléculas em computadores quânticos enfrenta um problema que não ocorre com um computador clássico, um fenômeno conhecido como ruído de hardware. Cálculos ruidosos retornam respostas ligeiramente diferentes cada vez que um cálculo é realizado; uma operação de adição barulhenta pode retornar valores ligeiramente diferentes de 4 a cada vez para a pergunta "O que é 2 mais 2?"

“A incerteza na medição depende do hardware quântico”, disse o cientista da Argonne Marco Govoni, co-autor principal do estudo. "Uma das conquistas do nosso trabalho é que conseguimos corrigir nossas simulações para compensar o ruído que encontramos no hardware."

Compreender como lidar com o ruído em computadores quânticos para simulações realistas é um resultado importante, disse Benchen Huang, estudante de pós-graduação da Universidade de Chicago, o primeiro autor do estudo.

“Podemos antecipar que no futuro poderemos ter computação quântica sem ruído – aprender como eliminar ou cancelar o ruído em nossa simulação também nos ensinará se a vantagem quântica pode se tornar realidade e para quais problemas na ciência dos materiais”.

No final, de acordo com Galli, o potencial inovador dos computadores quânticos motivará mais trabalhos nesse sentido.

"Acabamos de começar", disse ela. "O caminho à frente parece cheio de desafios emocionantes."

Um artigo baseado no estudo apareceu online em Physical Review X Quantum em 10 de março. + Explorar mais

Resolvendo problemas de materiais com um computador quântico