“Pense no que podemos fazer se ensinarmos um computador quântico a fazer mecânica estatística”, afirmou Michael McGuigan, cientista computacional da Computational Science Initiative no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA.
Na época, McGuigan estava refletindo sobre Ludwig Boltzmann e como o renomado físico tinha que defender vigorosamente suas teorias da mecânica estatística. Boltzmann, que proferiu suas idéias sobre como as propriedades atômicas determinam as propriedades físicas da matéria no final do século 19, tinha um obstáculo extraordinariamente grande: os átomos nem sequer eram comprovados na época. Fadiga e desânimo decorrentes de seus colegas não aceitarem suas opiniões sobre átomos e física assombraram Boltzmann para sempre.
Hoje, o fator de Boltzmann, que calcula a probabilidade de um sistema de partículas poder ser encontrado em um estado de energia específico em relação à energia zero, é amplamente utilizado na física. Por exemplo, o fator de Boltzmann é usado para realizar cálculos nos maiores supercomputadores do mundo para estudar o comportamento de átomos, moléculas e a “sopa” de quark descoberta usando instalações como o Colisor Relativo de Íons Pesados ??localizado no Brookhaven Lab e o Large Hadron Collider em CERN.
Embora tenha sido necessária uma mudança radical para mostrar que Boltzmann estava certo, os cientistas da computação estão agora no precipício de uma nova onda de computação, dando o salto de supercomputadores e bytes para sistemas quânticos e bits quânticos (ou “qubits”). Esses computadores quânticos têm o potencial de desvendar alguns dos conceitos mais misteriosos da física. E, estranhamente, esses chamados mistérios podem parecer um pouco familiares para muitos.
Tempo e temperatura trazidos a você por…
Embora a maioria das pessoas esteja familiarizada com as noções de tempo e temperatura e as verifique várias vezes ao dia, verifica-se que esses conceitos básicos permanecem enigmáticos na física.
O fator de Boltzmann ajuda a modelar os efeitos da temperatura que podem ser usados ??para prever e controlar o comportamento atômico e as propriedades físicas, e funcionam muito bem em computadores clássicos. No entanto, em um computador quântico, os portões lógicos quânticos usados ??na computação (semelhantes aos portões lógicos encontrados nos circuitos digitais) são representados por números complexos, em oposição ao fator de Boltzmann, que por definição é real.
Esta edição ofereceu a McGuigan e seu aluno / co-autor Raffaele Miceli um problema interessante de resolver usando um teste de computação quântica fornecido por meio do contrato de acesso da Brookhaven Lab aos sistemas universais de computação quântica da IBM, por meio do IBM Q Hub no Laboratório Nacional de Oak Ridge. A colaboração permite que Brookhaven (entre outros em rede) acesse os sistemas quânticos comerciais da IBM, incluindo sistemas de 20 e 53 qubit para experimentos.
“Em um computador quântico, existe outra maneira de simular a temperatura finita, chamada dinâmica de campos térmicos, capaz de calcular quantidades dependentes do tempo e da temperatura”, explicou McGuigan. “Nesse formalismo, você constrói um dobro do sistema, chamado thermo double, e prossegue com o cálculo em um computador quântico, pois a computação pode ser representada em termos de portas da lógica quântica com números complexos.
“No final, você pode somar os estados duplos e gerar um fator efetivo de Boltzmann para cálculos em temperatura finita”, continuou ele. “Também existem certas vantagens do formalismo. Por exemplo, você pode estudar os efeitos da temperatura finita e como o sistema evolui em tempo real, à medida que o tempo e a temperatura são separados usando esse algoritmo quântico. Uma desvantagem é que ele requer o dobro de qubits como um cálculo de temperatura zero para lidar com os estados duplos “.
Miceli e McGuigan demonstraram como implementar o algoritmo quântico para a dinâmica de campos térmicos para temperatura finita em um sistema simples envolvendo algumas partículas e encontraram perfeita concordância com o cálculo clássico.
Seu trabalho utilizou recursos da computação clássica e quântica. Segundo McGuigan, eles usaram o software de computação quântica de código aberto Qiskit que lhes permitiu criar seu algoritmo na nuvem. O Qiskit então transpilou esse código para pulsos que se comunicam com um computador quântico em tempo real (neste caso, um dispositivo IBM Q). Otimizadores que executam algoritmos clássicos permitem ainda mais a alternância entre os sistemas tradicional e quântico.
“Nosso experimento mostra que os sistemas quânticos têm a vantagem de representar cálculos em tempo real exatamente ao invés de alternar do tempo imaginário para o tempo real para encontrar um resultado”, explicou McGuigan. “Ele oferece uma imagem mais verdadeira de como um sistema evolui. Podemos mapear o problema para uma simulação quântica que o permita evoluir.”
Into the Cosmos
A cosmologia quântica é outra área em que McGuigan antecipa que novas opções de computação quântica terão um impacto profundo. Apesar da multidão de avanços na compreensão do universo possibilitada pelos supercomputadores modernos, alguns sistemas físicos permanecem além de seu alcance. A complexidade matemática, que geralmente inclui a teoria da gravidade quântica total, é simplesmente grande demais para obter soluções exatas. No entanto, um verdadeiro computador quântico, completo com a capacidade de explorar emaranhamento e superposição, expandiria as opções para novos algoritmos mais precisos.
“Os sistemas quânticos podem realizar integrais de caminho em tempo real, dando-nos acesso a simulações em larga escala do universo”, disse McGuigan. “Você pode visualizar a função de onda calculada do universo à medida que evolui para a frente sem antes formular uma teoria completa da gravidade quântica”.
Novamente, usando o pacote Qiskit e acesso ao hardware IBM Q, McGuigan e seu colaborador Charles Kocher, um estudante da Brown University, empregaram uma mistura de métodos computacionais clássicos e VQE para executar experimentos variados, incluindo um que examinava sistemas com gravidade acoplada a um campo bóson chamado inflaton, uma partícula hipotética que desempenha um papel importante na cosmologia moderna. O trabalho deles mostrou que o VQE híbrido produzia funções de onda consistentes com a equação de Wheeler-Dewitt, que combina matematicamente a mecânica quântica com a teoria da relatividade de Albert Einstein.
Inspiração em escala de expansão
Embora os primeiros experimentos quânticos estejam levando a diferentes perspectivas básicas da física, espera-se que a computação quântica contribua com grandes avanços na solução de problemas de longa data que afetam as missões do DOE. Entre eles, pode ser uma ferramenta para desvendar novos materiais, resolver desafios de energia ou acrescentar entendimentos fundamentais (como tempo e temperatura) na física e cosmologia de alta energia. Por sua vez, essas mudanças podem se transformar em áreas mais facilmente reconhecíveis.
Por exemplo, os desenvolvedores de medicamentos precisam de uma mecânica quântica mais realizada para entender a estrutura das moléculas. Os computadores quânticos podem possibilitar descobertas oferecendo simulações da mecânica quântica completa que forneceriam um ponto de vista realmente prático.
“Parece sempre haver interesse no básico por trás da física”, disse McGuigan. “Tem sido de interesse do público há milênios. No momento, a combinação de conhecimento teórico e tecnologia atual está convergindo com a computação quântica. No entanto, ainda é um empreendimento muito humano”.
Por enquanto, o uso de computadores quânticos de curto prazo para resolver pequenos problemas de campo térmico ou dar uma nova olhada em um universo antigo está inspirando pesquisadores a ampliar seus algoritmos à medida que realizam coisas maiores na ciência.
“Somos encorajados a fazer coisas diferentes. Todos fazemos”, disse McGuigan. “Outros grupos ao redor do mundo, como o Perimeter Institute no Canadá e a Universiteit van Amsterdam na Holanda, já estão estendendo o algoritmo quântico duplo de campo térmico para sistemas ainda maiores. Com o surgimento de grandes computadores quânticos de curto prazo de 50 a 100 qubits, o objetivo é executar simulações de temperatura finita em sistemas realistas que envolvem muitas partículas.É empolgante ter um computador quântico real para testar essas idéias e problemas para os quais antes não tínhamos soluções.Mecânica quântica sem desvantagens – é para isso que a ciência é tudo sobre.”
Para quem quiser dar uma espiada no que está sendo feito em computação quântica, existe um software da IBM que permite alguma coisa, o Qiskit.
O Qiskit é uma estrutura de desenvolvimento de software de computação quântica de código aberto para alavancar os processadores quânticos atuais em pesquisa, educação e negócios.
E acho excelente, principalmente para o meio acadêmico, pois pode ser instalado em máquinas com Ubuntu ou Windows: https://qiskit.org/
Publicado em 30/01/2020
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