Algoritmo de Computação Quântica Pode Levar ao Desenvolvimento de Novos Materiais

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Columbia desenvolveu um novo algoritmo que pode ajudar computadores quânticos a calcular a energia molecular e levar ao desenvolvimento de novos materiais. O algoritmo usa os mais bits quânticos até o momento para calcular a energia de estado fundamental, que é o estado de menor energia em um sistema mecânico quântico. 

O novo estudo foi publicado em Nature. 

Calculando a Energia de Estado Fundamental

O algoritmo foi desenvolvido pelo professor de química da Columbia, David Reichman, e pelo pesquisador pós-doutorado Joonho Lee, junto com pesquisadores do Google Quantum AI. Ele reduz os erros estatísticos produzidos pelos bits quânticos em equações de química e usa até 16 qubits no computador Sycamore de 53 qubits do Google para calcular a energia de estado fundamental, que é o estado de menor energia de uma molécula. 

“Esses são os maiores cálculos de química quântica que já foram feitos em um dispositivo quântico real”, disse Reichman. 

Ao ser capaz de calcular com precisão a energia de estado fundamental, os químicos poderão desenvolver novos materiais. Por exemplo, o algoritmo pode ser usado para projetar materiais que acelerem a fixação de nitrogênio para a agricultura. Isso é apenas um dos muitos usos possíveis para a sustentabilidade, de acordo com Lee, que é um pesquisador visitante no Google Quantum AI.

O algoritmo depende de um Monte Carlo quântico, que é um sistema de métodos para calcular a probabilidade quando há muitas variáveis aleatórias desconhecidas. Os pesquisadores implantaram o algoritmo para determinar a energia de estado fundamental de três tipos de moléculas. 

Há muitas variáveis que podem influenciar a energia de estado fundamental, como o número de elétrons em uma molécula, a direção de sua rotação e os caminhos que eles tomam ao orbitar um núcleo. A energia eletrônica é codificada na equação de Schrödinger, que se torna extremamente difícil de resolver em um computador clássico à medida que as moléculas aumentam de tamanho. Com isso dito, há métodos para tornar isso mais fácil, e os computadores quânticos eventualmente podem contornar esse problema de escalabilidade exponencial. 

Lidando com Cálculos Maiores e Mais Complexos

De acordo com o princípio, deve ser possível para os computadores quânticos lidar com cálculos maiores e mais complexos, pois os qubits aproveitam os estados quânticos. Os qubits podem existir em dois estados simultaneamente, o que não é verdade para os dígitos binários. Ao mesmo tempo, os qubits são frágeis, e à medida que o número de qubits aumenta, a precisão na resposta final diminui. Lee desenvolveu o novo algoritmo para aproveitar o poder combinado de computadores clássicos e quânticos para resolver essas equações complexas de forma mais eficiente, minimizando erros. 

“É o melhor dos dois mundos”, disse Lee. “Nós aproveitamos ferramentas que já tínhamos, bem como ferramentas consideradas de ponta na ciência da informação quântica para refinar a química computacional quântica”, disse Lee. 

O recorde anterior para resolver a energia de estado fundamental dependia de 12 qubits e um método conhecido como o solucionador de autovalores quântico variacional (VQE). O problema com o VQE é que ele não levou em conta os efeitos de elétrons interagindo, o que é crucial para calcular a energia de estado fundamental. De acordo com Lee, técnicas de correlação virtual de computadores clássicos podem ser adicionadas para ajudar os químicos a lidar com moléculas ainda maiores. 

Os novos cálculos híbridos clássicos-quânticos demonstraram uma precisão semelhante à de alguns dos melhores métodos clássicos, sugerindo que problemas complexos podem ser resolvidos com mais precisão e rapidez com um computador quântico. 

“A viabilidade de resolver problemas químicos maiores e mais desafiadores só aumentará com o tempo”, disse Lee. “Isso nos dá esperança de que as tecnologias quânticas que estão sendo desenvolvidas serão praticamente úteis.”