Os físicos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley Christian Bauer, Marat Freytsis e Benjamin Nachman alavancaram um computador quântico IBM Q através do Programa de Usuário de Computação Quântica do Oak Ridge Leadership Computing Facility para capturar parte de um cálculo de dois prótons colidindo. O cálculo pode mostrar a probabilidade de uma partícula de saída emitir partículas adicionais.
No artigo recente da equipe, publicado em Physical Review Letters , os pesquisadores descrevem como eles usaram um método chamado teoria de campo eficaz para dividir sua teoria completa em componentes. Por fim, eles desenvolveram um algoritmo quântico para permitir o cálculo de alguns desses componentes em um computador quântico, deixando outros cálculos para computadores clássicos.

"Para uma teoria próxima da natureza, mostramos como isso funcionaria em princípio. Então pegamos uma versão muito simplificada dessa teoria e fizemos um cálculo explícito em um computador quântico", disse Nachman.

A equipe do Berkeley Lab visa descobrir insights sobre os menores blocos de construção da natureza, observando colisões de partículas de alta energia em ambientes de laboratório, como o Grande Colisor de Hádrons em Genebra, Suíça. A equipe está explorando o que acontece nessas colisões usando cálculos para comparar as previsões com os destroços reais da colisão.

"Uma das dificuldades desses tipos de cálculos é que queremos descrever uma grande variedade de energias", disse Nachman. "Queremos descrever os processos de energia mais alta até os processos de energia mais baixa, analisando as partículas correspondentes que voam para o nosso detector."

Usar um computador quântico sozinho para resolver esses tipos de cálculos requer um número de qubits que está muito além dos recursos de computação quântica disponíveis hoje. A equipe pode calcular esses problemas em sistemas clássicos usando aproximações, mas elas ignoram efeitos quânticos importantes. Portanto, a equipe teve como objetivo separar o cálculo em diferentes partes que fossem adequadas para sistemas clássicos ou computadores quânticos.

A equipe realizou experimentos no IBM Q por meio do programa QCUP do OLCF no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA para verificar se os algoritmos quânticos desenvolvidos reproduziam os resultados esperados em pequena escala que ainda podem ser computados e confirmados com computadores clássicos.

"Este é um problema de demonstração absolutamente crítico", disse Nachman. "Para nós, é importante que descrevamos teoricamente as propriedades dessas partículas e, em seguida, implementemos uma versão delas em um computador quântico. Muitos desafios que surgem quando você roda em um computador quântico não acontecem teoricamente. Nosso algoritmo escala, então, quando obtivermos mais recursos quânticos, poderemos fazer cálculos que não poderíamos fazer classicamente."

A equipe também pretende tornar os computadores quânticos utilizáveis ​​para que possam realizar os tipos de ciência que esperam fazer. Os computadores quânticos são barulhentos e esse ruído introduz erros nos cálculos. Portanto, a equipe também implantou técnicas de mitigação de erros que haviam desenvolvido em trabalhos anteriores.

Em seguida, a equipe espera adicionar mais dimensões ao problema, dividir o espaço em um número menor de pontos e aumentar o tamanho do problema. Eventualmente, eles esperam fazer cálculos em um computador quântico que não são possíveis com computadores clássicos.

“Os computadores quânticos que estão disponíveis através do contrato IBM Q do ORNL têm cerca de 100 qubits, então devemos ser capazes de escalar para tamanhos de sistema maiores”, disse Nachman.

Os pesquisadores também esperam relaxar suas aproximações e passar para problemas de física mais próximos da natureza para que possam realizar cálculos que sejam mais do que uma prova de conceito. + Explorar mais

Rumo a um computador quântico que calcula energia molecular