Os computadores quânticos têm o potencial de superar os computadores clássicos em várias tarefas complexas, mas muitos desafios precisarão ser superados antes que eles atinjam todo o seu potencial. Enquanto isso, físicos e cientistas da computação vêm tentando estimar de forma realista as capacidades que as tecnologias de computação quântica exibirão em um futuro próximo.
Simulações quânticas – realizações de sistemas quânticos manifestadas usando dispositivos de simulação programáveis ? provaram ser particularmente valiosas para determinar o potencial de curto prazo dos computadores quânticos. Uma abordagem que pode ser investigada usando simulações quânticas é o recozimento quântico, um processo de otimização baseado em flutuações quânticas projetadas.
Pesquisadores da D-Wave Systems e vários institutos no Canadá, EUA e Japão simularam recentemente uma transição de fase quântica em um modelo de 1D quântico programável de 2.000 qubits. Seus resultados, apresentados em um artigo publicado na Nature Physics, podem informar futuros esforços de otimização e simulação quântica.
“O recozimento coerente é algo que queríamos mostrar há muito tempo”, disse Andrew D. King, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Uma razão é que nos permite comparar o comportamento do nosso sistema quântico programável com a dinâmica ideal de Schrödinger, fornecendo fortes evidências de quantidade e uma referência dessa quantidade. A cadeia 1D é perfeita para isso porque tem um solução de forma fechada bem conhecida, o que significa que podemos resolvê-la classicamente sem simular exaustivamente a dinâmica quântica – uma tarefa classicamente intratável em geral.”
A simulação quântica da cadeia 1D Ising já foi feita antes por outras equipes de pesquisa, incluindo um grupo da Universidade de Harvard. No entanto, a simulação realizada por King e seus colegas é a primeira a ser realizada usando um computador quântico baseado em recozimento. Além disso, os pesquisadores conseguiram perceber estados maiores e mais fortemente correlacionados do que os demonstrados no passado.
“A variável chave aqui em nosso experimento é o tempo de recozimento, que é o tempo que o processador D-Wave leva para ir de seu estado inicial de superposição quântica ao ponto final clássico da computação”, explicou King. “Normalmente, um limite de velocidade de 500 nanossegundos é colocado no sistema, para permitir tolerâncias no circuito de controle. Neste trabalho, porém, fomos 100 vezes mais rápidos do que isso.”
Devido às velocidades mais altas alcançadas por seu sistema, King e seus colegas tiveram que aplicar requisitos de hardware mais rigorosos e usar novos métodos de software. Isso permitiu que eles sincronizassem perfeitamente os milhares de qubits em seu sistema.
Os pesquisadores realizaram suas simulações usando um processador altamente programável criado na D-Wave Systems. Para testar sua eficácia de forma mais confiável, eles optaram por simular uma transição de fase quântica extremamente simples e bem compreendida.
“A excelente concordância que vemos entre os experimentos e o modelo quântico ideal sem efeitos ambientais é um novo desenvolvimento no campo do recozimento quântico”, disse King. “Isso nos mostra não apenas que o sistema é manifestamente quântico, mas que podemos programar sistemas mais complexos no recozidor quântico e esperar que ele siga a verdadeira dinâmica quântica da equação de Schrödinger, que em geral não pode ser simulada classicamente”.
No geral, a equipe descobriu que suas simulações estavam alinhadas com as previsões da teoria quântica. No futuro, seu trabalho poderá abrir novas e excitantes possibilidades para o estudo de diferentes transições de fase quântica. Em seus próximos trabalhos, King e seus colegas gostariam de usar processadores D-Wave programáveis para simular transições de fase quântica mais exóticas, que não podem ser simuladas usando computadores clássicos.
“A maioria das pessoas quer usar o recozimento quântico para simulação quântica, o que fizemos aqui, ou para otimização”, acrescentou King. “A transição de fase quântica que estudamos neste trabalho é apenas indiretamente aplicável à otimização, por isso é importante unir essas duas áreas. Já sabemos que os recozidores quânticos podem resolver problemas de otimização muito rapidamente. Nosso próximo trabalho será estudar isso sucesso usando o recozimento coerente, para explicar em detalhes o papel da dinâmica crítica quântica na otimização do recozimento quântico.”
Publicado em 11/10/2022 09h21
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