Calcular as propriedades químicas das moléculas pode ser um trabalho para computadores quânticos
ETH Zurique
Cálculos químicos quânticos que poderiam promover o desenvolvimento da medicina ou da agricultura surgiram recentemente como uma “aplicação matadora” promissora de computadores quânticos, mas novas análises sugerem que isso é improvável.
O progresso na construção de computadores quânticos acelerou nos últimos anos, mas permanece uma questão em aberto sobre quais utilizações têm maior probabilidade de justificar o investimento contínuo nesta tecnologia. Um concorrente popular é a resolução de problemas de química quântica, como o cálculo dos níveis de energia de moléculas relevantes para a biomedicina ou a indústria. Isto requer o cálculo do comportamento de muitas partículas quânticas – elétrons em moléculas – simultaneamente, por isso parece adequado para computadores feitos de muitas partes quânticas.
No entanto, Xavier Waital no CEA Grenoble, na França, e colegas mostraram agora que os dois principais algoritmos de computação quântica para esta tarefa podem, na verdade, ter utilidade limitada.
“Meu pensamento pessoal é que isso provavelmente vai acabar, não está provado que vai acabar, mas provavelmente vai acabar”, disse ele sobre o uso de computadores quânticos para cálculos de energia molecular.
Os investigadores dividiram a sua análise matemática em duas partes, uma relativa aos computadores quânticos existentes, todos propensos a erros, e outra relativa aos futuros computadores quânticos que serão “tolerantes a erros”, ou completamente à prova de erros.
Ao usar computadores quânticos barulhentos ou propensos a erros, os níveis de energia molecular podem ser calculados com algoritmos variacionais de autosolução quântica (VQE), mas a precisão dos resultados depende da gravidade do ruído.
A análise da equipe descobriu que para o VQE competir em termos de precisão com algoritmos químicos que podem ser executados em computadores convencionais, o ruído de um computador quântico deve ser suprimido a tal ponto que o computador deve ser efetivamente tolerante a falhas. Notavelmente, um computador quântico prático e tolerante a falhas ainda não foi criado.
Várias empresas de computação quântica pretendem construir dispositivos quânticos tolerantes a falhas dentro de cinco anos e tais dispositivos podem calcular energias moleculares com um algoritmo diferente chamado estimativa de fase quântica (QPE). Aqui, o problema do erro pode quase ser eliminado, mas esta pesquisa destaca um problema conhecido como “ortogonalidade catastrófica”.
Simplificando, isto significa que à medida que o tamanho de uma molécula aumenta, a probabilidade de o QPE poder calcular o seu nível de energia mais baixo diminui exponencialmente. Como resultado, os membros da equipe Thibaud Louvet da empresa francesa de computação quântica Quobly, disse que mesmo com computadores quânticos poderosos, há apenas um pequeno número de casos em que usá-los para executar o QPE seria a opção mais prática e melhor. Na sua opinião, a capacidade de executar estes algoritmos deve ser vista mais como uma medida da maturidade dos computadores quânticos do que algo em que os químicos possam confiar.
“É fácil superestimar as perspectivas dos computadores quânticos neste campo, com muitas pessoas pensando que o advento dos computadores quânticos tornará obsoleta qualquer abordagem clássica da química quântica”, disse George Booth no King’s College London, que não esteve envolvido no trabalho. “Este estudo mostra claramente desafios significativos para simulações moleculares precisas, que permanecerão mesmo na ‘era da tolerância a falhas’, e lança dúvidas sobre se a química quântica é realmente uma vitória rápida para os computadores quânticos.”
Mas ele disse que ainda existem outras maneiras pelas quais os computadores quânticos poderiam ser usados na química. Por exemplo, eles podem simular como os sistemas químicos mudam após serem perturbados, como serem atingidos por um raio laser.
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