Simulações usando um computador quântico mostram os limites atuais da tecnologia

&bola; Física 15, 175

Os circuitos quânticos ainda não conseguem superar os circuitos clássicos ao simular moléculas.

E.Lucero/Google

Sê real. O chip Sycamore, fabricado pelo Google, composto de 53 bits quânticos, foi usado para explorar a “vantagem quântica”: desempenho em computação quântica que excede qualquer coisa possível em computadores clássicos. Mas quão bem esse tipo de dispositivo funciona em problemas comuns de interesse real, como simulações quânticas de moléculas e materiais?Sê real. O chip Sycamore, fabricado pelo Google, composto de 53 bits quânticos, foi usado para explorar a “vantagem quântica”: desempenho em computação quântica que excede qualquer coisa possível em computadores clássicos. Mas até que ponto esse tipo de dispositivo pode … Mostre mais

Os computadores quânticos prometem simular diretamente sistemas governados por princípios quânticos, como moléculas ou materiais, já que os próprios bits quânticos são objetos quânticos. Experimentos recentes demonstraram o poder desses dispositivos ao executar tarefas cuidadosamente escolhidas. Mas um novo estudo mostra que para problemas de interesse real, como calcular os estados de energia de um aglomerado de átomos, as simulações quânticas não são mais precisas do que as dos computadores clássicos. [1]. Os resultados oferecem uma referência para julgar o quão perto os computadores quânticos estão de se tornarem ferramentas úteis para químicos e cientistas de materiais.

Richard Feynman propôs a ideia de computadores quânticos em 1982, sugerindo que eles poderiam ser usados ​​para calcular as propriedades da matéria quântica. Hoje, os processadores quânticos estão disponíveis com várias centenas de bits quânticos (qubits), e alguns podem, em princípio, representar estados quânticos impossíveis de codificar em um dispositivo clássico. O processador Sycamore de 53 qubits desenvolvido pelo Google demonstrou o potencial de realizar cálculos em dias que levariam vários milênios nos computadores convencionais atuais [2]. Mas essa “vantagem quântica” só é obtida para certas tarefas computacionais que exploram os pontos fortes desses dispositivos. Quão bem esses computadores quânticos se saem nos desafios do dia-a-dia que os pesquisadores que estudam moléculas e materiais realmente querem resolver?

Garnet Chan, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, e seus colegas tentaram responder a essa pergunta realizando simulações de uma molécula e um material usando um processador de 53 qubits do Google chamado Weber, baseado em Sycamore. “Não esperávamos aprender nada de novo em química, dada a complexidade desses sistemas e a qualidade dos algoritmos clássicos”, diz Chan. “O objetivo era entender o desempenho do hardware Sycamore para uma classe de circuito fisicamente relevante com uma métrica de passagem fisicamente relevante.”

A equipe selecionou dois problemas de interesse atual, sem qualquer consideração quanto à sua adequação para um circuito quântico. A primeira consiste em calcular os estados de energia de um grupo de 8 átomos de ferro (Fe) e enxofre (S) presentes no núcleo catalítico da enzima nitrogenase. Esta enzima quebra ligações fortes em moléculas de nitrogênio como o primeiro passo em um importante processo biológico chamado fixação de nitrogênio. Compreender a química deste processo pode ser útil no desenvolvimento de catalisadores artificiais de fixação de nitrogênio para a indústria química.

Núcleo catalítico. Dentro do sítio catalítico da enzima nitrogenase, responsável pela extração do nitrogênio da atmosfera (fixação do nitrogênio), há um aglomerado de átomos de ferro (vermelho) e enxofre (amarelo) que catalisa a separação das moléculas de nitrogênio. Os pesquisadores gostariam de simular esse processo em um computador quântico para desenvolver catalisadores artificiais de fixação de nitrogênio.Núcleo catalítico. Dentro do sítio catalítico da enzima nitrogenase, responsável pela extração do nitrogênio da atmosfera (fixação do nitrogênio), há um aglomerado de átomos de ferro (vermelho) e enxofre (amarelo) que catalisa a divisão das moléculas de nitrogênio… Mostre mais

Em segundo lugar, a equipe procurou inferir o comportamento coletivo de spins magnéticos no material cristalino tricloreto de alfa-rutênio (

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-RuCl3), que se acredita adotar uma fase quântica exótica chamada de líquido de spin de baixa temperatura [3]. O estudo desses estados faz parte do projeto maior para explorar fenômenos quânticos em materiais.

Os estados eletrônicos fundamentais e as excitações de baixa energia dos dois sistemas são determinados pela forma como os spins dos elétrons dos átomos interagem entre si. Esses spins podem ser codificados em qubits únicos e suas interações simuladas acoplando os qubits em circuitos que espelham as estruturas dos dois sistemas.

Um dos principais obstáculos para simulações quânticas precisas é o ruído – erros aleatórios tanto na comutação das “portas” que realizam operações de lógica quântica quanto na leitura de seus estados de saída. Esses erros se acumulam e limitam o número de operações de porta que uma computação pode realizar antes que o ruído domine. Os pesquisadores descobriram que as simulações com mais de 300 portões estavam sobrecarregadas de ruído. Mas quanto mais complexo o sistema, mais portas são necessárias. O cluster Fe-S, por exemplo, tem interações de longo alcance entre os spins; Para serem representadas com precisão, tais interações requerem muitas portas.

Devido a esses desafios, as simulações no chip Weber foram bastante limitadas. Por exemplo, as simulações forneceram previsões para os espectros de energia do cluster Fe-S e a capacidade de calor de

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-RuCl3 razoavelmente bem, mas apenas se os sistemas simulados não fossem muito grandes. Por

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-RuCl3 a equipe só conseguiu obter resultados significativos para um pedaço muito pequeno de 6 átomos da rede cristalina; se eles aumentassem o tamanho para apenas 10 átomos, o ruído sobrecarregaria a saída. E as restrições nas operações de portão significavam que apenas cerca de um quinto dos recursos quânticos de Weber poderiam ser usados ​​para computação. No entanto, Chan e seus colegas conseguiram aumentar esse uso para metade dos recursos quando passaram a simular um sistema modelo mais adequado à arquitetura de circuito específica de Weber.

Chan diz que é difícil ver circuitos quânticos com desempenho muito melhor para problemas como esse até que haja maneiras melhores de reduzir o ruído ou corrigir erros. (Os esquemas desenvolvidos até agora não fornecem correção completa de erros quânticos.)

“Esses resultados são de última geração e mostram os desafios em termos de desempenho futuro do dispositivo”, diz Alán Aspuru-Guzik, da Universidade de Toronto, especialista no uso de computação quântica em química e materiais. Mas as capacidades aumentaram constantemente desde os primeiros computadores quânticos dos anos 2000, como evidenciado por este novo trabalho, diz ele. Peter Love, especialista em simulação quântica da Tufts University, Massachusetts, está otimista com os resultados. “Esses resultados são emocionantes e intimidadores”, diz ele. “Comparado com nossas expectativas em 2005, eles são absolutamente incríveis, mas também mostram quanto trabalho temos pela frente.”

-Philip Ball

Philip Ball é um escritor de ciência freelance em Londres. Seu último livro é mitos modernos (University of Chicago Press, 2021).

Referências

  1. RN Tazhigulov et ai.“Simulando modelos de moléculas e materiais correlacionados difíceis no processador quântico Sycamore”, PRX Quântico 3040318 (2022).
  2. F. Chegada et ai.“Supremacia Quântica Usando um Processador Supercondutor Programável”, Natureza 574505 (2019).
  3. H.Li et ai.“Anomalias de Phonon gigantes no líquido de rotação quase quântica de Kitaev
    𝛼

    RuCl3

    “, Nat. Comum. 123513 (2021).


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