O comprimento e a complexidade dos polímeros – cadeias de moléculas que constituem tanto materiais artificiais como os plásticos quanto as proteínas que formam os blocos de construção essenciais da vida – os tornam objetos formidáveis para estudar. Pesquisadores na Itália agora enfrentaram esse problema de uma nova maneira, usando computadores quânticos para tornar os polímeros um pouco mais acessíveis.
Em uma colaboração entre a Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati em Trieste e a Universidade de Trento em Trento, Cristian Micheletti, Philipp Hauke e Pietro Faccioli usaram um computador quântico especializado chamado de annealer quântico para prever configurações de cadeias poliméricas. Ao fazer isso, Micheletti diz que primeiro teve que “reformular os modelos básicos da física dos polímeros para que eles possam ser usados em uma estrutura de computação quântica”, antecipando que a tecnologia quântica será a força motriz por trás da computação científica no futuro.
Torção e voltas de polímeros
Apesar de sua onipresença e utilidade, os polímeros são notoriamente difíceis de estudar. As formas como essas cadeias se dobram, se entrelaçam e se ligam dão ao material polimérico suas propriedades únicas. Quando os pesquisadores estudam polímeros, eles amostram um grande número dessas formas possíveis, também conhecidas como conformações, e calculam suas propriedades. Por exemplo, estudar como as cadeias de polímero plástico se desassociam em diferentes temperaturas pode nos dizer como o material pode enfraquecer ou derreter à medida que fica mais quente. Da mesma forma, estudar polímeros biológicos, como o DNA, pode fornecer informações valiosas sobre o funcionamento de uma célula.
No entanto, estudar polímeros é um desafio computacional, especialmente se eles forem densamente compactados. O modelo mais simples de polímeros os trata como caminhos contínuos em uma rede regular. Mas o número de caminhos possíveis (ou seja, o número de maneiras pelas quais uma cadeia de polímero pode se dobrar e se contorcer) é muito numeroso para calcular, mesmo para um supercomputador poderoso. Além disso, nem todos os caminhos possíveis são quimicamente válidos – alguns polímeros não permitem cadeias que se ramificam em duas, enquanto outros não permitem loops. Essa tarefa de amostrar conformações válidas de um espaço de busca assustadoramente grande é um problema central na física de polímeros.
Annealers quânticos para o resgate
Em seu estudo, que foi publicado na Physical Review Letters, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de mapear o problema de identificação de conformações de polímero válidas em um problema que é um pouco mais tratável: minimizar a energia de um sistema quântico. Para fazer isso, eles codificaram as regras para conformações de polímero em um objeto matemático chamado Hamiltoniano, que descreve a dinâmica de energia de um sistema quântico. O estado quântico de energia mais baixa desse hamiltoniano contém apenas os arranjos de cadeias poliméricas que obedecem às regras.
A próxima tarefa da equipe foi obter a solução de menor energia do hamiltoniano. Eles fizeram isso com a ajuda de um recozedor quântico operado pela empresa de computação quântica D-Wave Systems. Ao contrário de um computador quântico geral, que pode executar lógica universal por meio de uma sequência de operações elementares, os annealers quânticos se especializam na tarefa singular de encontrar estados de energia mais baixa. Os pesquisadores usaram o recozedor da D-Wave para validar seu algoritmo usando exemplos simples o suficiente para caber no hardware disponível. Crucialmente, eles observam que o tempo de operação de seu algoritmo auxiliado por quantum escala mais favoravelmente do que o caso em uma versão clássica do mesmo algoritmo, pelo menos para exemplos do tamanho que eles estudaram no recozedor quântico.
Como os pequenos tamanhos de hardware disponíveis hoje limitam a complexidade dos polímeros que podem ser sondados usando essa técnica, talvez tenhamos que esperar algum tempo antes que polímeros comuns como linhas de pesca e tecidos sejam projetados usando computadores quânticos. O novo resultado é, no entanto, um bom ponto de partida, diz Micheletti. “Agora estamos considerando sua extensão para modelos de polímero mais ricos e realistas”, acrescenta.
Publicado em 11/10/2021 02h05
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