Computadores quânticos estão prestes a descobrir uma nova física de partículas

Os computadores quânticos estão começando a se tornar ferramentas poderosas para estudar algumas das forças mais fundamentais do universo – e algumas das mais difíceis de entender. Dois experimentos o utilizaram para abrir novos caminhos para a física nuclear e de partículas.

“Temos um grande esquema que, em última análise, queremos fazer computação quântica para física de alta energia”, disse ele Torsten Zache na Universidade de Innsbruck, na Áustria. “Há um forte consenso de que os computadores quânticos de grande escala são realmente capazes de resolver problemas intratáveis.”

Ele e seus colegas usaram computadores quânticos para simular como as partículas excitadas – que possuem muita energia – se comportam em campos quânticos, situação semelhante às condições que experimentam em aceleradores de partículas. Pedram Roushan do Google e seus colegas realizaram simulações semelhantes em diferentes computadores quânticos.

Embora os computadores convencionais normalmente só consigam capturar instantâneos do comportamento das partículas, as novas simulações mostram como as partículas se comportam ao longo do tempo, como no cinema.

Roushan diz que tudo começa com campos quânticos, que se estendem pelo espaço e exercem forças sobre as partículas. Sua equipe queria simular campos eletromagnéticos, mas havia o desafio adicional de garantir que os campos simulados não apenas se aplicassem em todos os lugares, mas também afetassem as partículas corretamente ao ampliar apenas algumas partículas.

As equipes de Roushan e Zache simularam versões dessa estrutura local com base em simplificações do modelo padrão da física de partículas – nossa melhor teoria de como todas as partículas e as forças que atuam sobre elas se comportam.

Zache e seus colegas usaram um computador quântico feito de átomos super-resfriados controlados por lasers e pulsos eletromagnéticos, fabricado pela empresa de computação quântica QuEra. A equipe de Roushan trabalhou com o computador quântico Sycamore do Google, que usa minúsculos circuitos supercondutores.

As duas equipes simularam duas partículas em um campo quântico que foram primeiro obrigadas a se moverem simultaneamente e depois separadas uma da outra. Nesse cenário, as partículas comportam-se como se estivessem ligadas por fios de energia que vibram e eventualmente se rompem. No modelo padrão, quebrar essas cordas é importante para os quarks, que constituem os núcleos atômicos e são mantidos juntos pela força forte. É também um par chave de partículas de matéria e antimatéria.

Embora os computadores convencionais possam simular com precisão esses fenômenos de uma só vez, ou quando a energia é relativamente baixa, eles só conseguem capturar todo o processo para sistemas muito pequenos. “Durante décadas, prestamos atenção à física estática, mas e se você quiser uma situação dinâmica? Nós a visualizamos pela primeira vez”, disse Roushan.

O que eles viram não contradiz o modelo padrão e está de acordo com as simulações computacionais convencionais de última geração, mas usar apenas computadores quânticos um pouco maiores levaria este trabalho a um território desconhecido, disseram eles. Jad Halimeh na Universidade de Munique, na Alemanha. Ele disse que o novo experimento coloca os computadores quânticos contra os melhores computadores tradicionais.

Antonio Ciavarela do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia, diz que resolver cordas para quarks é a questão teórica mais aberta e, apenas alguns anos atrás, os pesquisadores mal conseguiam usar hardware de computação quântica para simular o processo.

Mas agora, disse Halimeh, espera-se que os computadores quânticos sejam “atores importantes” na compreensão do que acontece no núcleo dos colisores de partículas.

Quando íons altamente energéticos são colididos em uma colisão, eles produzem uma chuva de partículas que atinge o detector – os dados são como os últimos quadros de um filme, e os físicos podem usá-los para fazer engenharia reversa do que aconteceu nos quadros anteriores. Mas os computadores quânticos podem nos ajudar a iniciar colisões e entender o que acontece a seguir, disse ele.

“Eu realmente acredito nesta (abordagem)”, disse Zache. “Em última análise, acho que esta será uma ferramenta que desempenhará um papel muito importante.”

Para conseguir isso, os pesquisadores tiveram que executar suas simulações em um computador quântico maior e em três dimensões espaciais, em vez de duas dimensões espaciais. Roushan diz que sua equipe está trabalhando com as realidades e limitações de alguns dos melhores computadores quânticos disponíveis, e não há nenhum truque de mágica que possa acelerar suas simulações – tanto o hardware quanto a forma como as simulações são programadas devem continuar a melhorar.

Mas, por enquanto, diz ele, simulações como esta também podem ajudar os pesquisadores a compreender a física de partículas menos extremas, como o comportamento de partículas excitadas em materiais quânticos exóticos.