Um circuito quântico dissipativo acionado. Crédito:Física da Natureza (2023). DOI:10.1038/s41567-023-02199-w Os pesquisadores simularam um estado quântico chave em uma das maiores escalas relatadas, com o apoio do Programa de Usuários de Computação Quântica, ou QCUP, no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia.
As técnicas utilizadas pela equipe poderiam ajudar a desenvolver capacidades de simulação quântica para a próxima geração de computadores quânticos.
O estudo usou o computador H1-1 da Quantinuum para modelar uma versão quântica de um modelo matemático clássico que rastreia como uma doença se espalha. O tempo no computador foi fornecido pela QCUP, parte do Oak Ridge Leadership Computing Facility, que concede tempo em processadores quânticos de propriedade privada em todo o país para apoiar projetos de pesquisa.
O modelo usou bits quânticos, ou qubits, para simular a transição entre estados ativos, como infecção, e estados inativos, como morte ou recuperação.
“O objetivo deste estudo era trabalhar no sentido de construir capacidades num computador quântico para resolver este problema e outros semelhantes que são difíceis de calcular em computadores convencionais”, disse Andrew Potter, co-autor do estudo e professor assistente de física. na Universidade da Colúmbia Britânica em Vancouver.
"Este experimento modela a tentativa de direcionar um sistema quântico em direção a um estado específico enquanto compete com as flutuações quânticas para longe desse estado. Há um ponto de transição onde esses efeitos concorrentes se equilibram exatamente. Esse ponto separa uma fase onde a direção é bem-sucedida e onde falha. "
Quanto mais o sistema sair do equilíbrio, maior será a probabilidade de as versões clássicas do modelo quebrarem devido ao tamanho e à complexidade das equações. A equipe de pesquisa procurou usar a computação quântica para modelar essa dinâmica.
Os computadores clássicos armazenam informações em bits iguais a 0 ou 1. Em outras palavras, um bit clássico, como um interruptor de luz, existe em um de dois estados:ligado ou desligado. Essa dinâmica binária não se ajusta necessariamente à modelagem de estados de transição, como aqueles estudados no modelo de doença.
A computação quântica usa as leis da mecânica quântica para armazenar informações em qubits, o equivalente quântico dos bits. Qubits podem existir em mais de um estado simultaneamente por meio de superposição quântica, o que permite que qubits transportem mais informações do que os bits clássicos.
Na superposição quântica, um qubit pode existir em dois estados ao mesmo tempo, semelhante a uma moeda girando – nem cara nem coroa para a moeda, nem uma frequência nem outra para o qubit. Medir o valor do qubit determina a probabilidade de medir qualquer um dos dois valores possíveis, semelhante a parar a moeda em cara ou coroa. Essa dinâmica permite uma gama mais ampla de valores possíveis que poderiam ser usados para estudar questões complexas como estados de transição.
Os pesquisadores esperam que essas possibilidades impulsionem uma revolução quântica que fará com que os computadores quânticos superem as máquinas clássicas em velocidade e potência. No entanto, os qubits usados pelas máquinas quânticas atuais tendem a degradar-se facilmente. Essa deterioração causa altas taxas de erro que podem confundir os resultados de qualquer modelo maior que um problema de teste.
Potter e seus colegas obtiveram o tempo via QCUP no computador Quantinuum, que usa íons presos como qubits. Eles mediram circuitos, ou portas quânticas, durante toda a execução e usaram uma técnica conhecida como reciclagem de qubits para eliminar qubits degradados.
“Usamos o processador quântico para simular um sistema onde qubits ativos têm a capacidade de ativar qubits vizinhos ou tornar-se inativos”, disse Potter. “Ao monitorar o sistema em tempo real em cada etapa e testando à medida que avançamos, poderíamos detectar a probabilidade de que a execução de uma porta quântica em um qubit pudesse afetar o estado de um qubit e, se não, removê-lo do cálculo. Dessa forma, evitamos a chance de erros se infiltrarem."
A equipe determinou que poderia usar sua abordagem em 20 qubits para conter erros e simular um sistema quântico quase quatro vezes maior. Eles estimaram que em 70 qubits sua abordagem poderia igualar ou superar as capacidades de um computador clássico.
“Esta é a primeira vez que a abordagem é usada para um sistema deste tamanho”, disse Potter.
As próximas etapas incluem a aplicação da reciclagem de qubits a problemas quânticos, como simular as propriedades dos materiais e calcular seus estados de energia mais baixos ou estados fundamentais quânticos.
O artigo foi publicado na revista Nature Physics .
