Helios-1: Um novo computador quântico está a caminho de descobrir a supercondutividade

Pesquisadores da empresa de computação quântica Quantinuum usaram o novo computador quântico Helios-1 para simular um modelo matemático que há muito é usado para estudar a supercondutividade. Não é que estas simulações não possam ser feitas por computadores convencionais, mas este avanço abre caminho para que os computadores quânticos se tornem ferramentas úteis para a ciência dos materiais.

Os supercondutores conduzem eletricidade com eficiência perfeita, mas atualmente só funcionam em temperaturas muito baixas para serem práticos. Durante décadas, os físicos têm tentado compreender como alterar a sua estrutura para funcionar à temperatura ambiente, e muitos acreditam que a resposta virá de uma estrutura matemática chamada modelo Fermi-Hubbard. Este potencial o torna um dos modelos mais importantes em toda a física da matéria condensada, disse Quantinuum. Henrique Dreyer.

Os computadores convencionais podem executar excelentes simulações do modelo Fermi-Hubbard, mas têm dificuldade com amostras muito grandes ou casos em que o assunto que descrevem muda ao longo do tempo. Os computadores quânticos têm uma chance de melhorar eventualmente. Agora, Dreyer e seus colegas executaram a maior simulação do modelo Fermi-Hubbard em um computador quântico.

Eles usaram o Helios-1, que possui 98 qubits feitos de íons de bário, cada um controlado por um laser e um campo eletromagnético. Para executar a simulação, os pesquisadores manipularam os qubits através de uma série de estados quânticos e, em seguida, leram a saída medindo suas propriedades. Suas simulações incluíram 36 partículas chamadas férmions, que são exatamente o mesmo tipo de partículas dos supercondutores reais e são descritas matematicamente pelo modelo de Fermi-Hubbard.

Para que os supercondutores funcionem, os férmions precisam se emparelhar, e experimentos descobriram que o emparelhamento às vezes pode ser iniciado atingindo um material com um laser. A equipe do Quantinuum simulou esse cenário – eles atingiram seus qubits com pulsos de laser e depois mediram os estados resultantes, encontrando sinais de pares de partículas simulados. As simulações não reproduzem exatamente os experimentos, mas capturam processos dinâmicos, que os métodos computacionais convencionais têm dificuldade em realizar quando aplicados a mais do que algumas partículas.

Dreyer disse que o novo experimento não é uma prova concreta de que o Helios-1 tenha uma vantagem sobre qualquer abordagem de computação tradicional, mas a exploração de métodos clássicos de simulação convenceu sua equipe de que os computadores quânticos podem competir. “Para os métodos que tentamos, era impossível obter os mesmos resultados de forma confiável, estávamos olhando para vários relógios no computador quântico e um grande ponto de interrogação no lado clássico”, disse ele. Em outras palavras, as estimativas da equipe sobre os tempos de computação clássicos são tão maiores que é difícil saber quando seriam comparáveis ​​ao trabalho de Helios.

Outros computadores quânticos ainda não simularam o emparelhamento de férmions para alcançar a supercondutividade, e a equipe credita seu sucesso ao hardware Helios. David Hayestambém na Quantinuum, disse que os qubits Helios são altamente confiáveis ​​e excelentes em tarefas de benchmarking comuns na indústria de computação quântica. Em testes preliminares, também foi capaz de sustentar experimentos com qubits à prova de erros, incluindo a conexão de 94 desses qubits especiais por meio de emaranhamento quântico, o que é um recorde para qualquer computador quântico. O uso de tais qubits em simulações futuras poderia torná-los mais precisos.

Eduardo Ibarra Garcia Padilha do Harvey Mudd College, na Califórnia, disse que os novos resultados são promissores, mas ainda precisam ser comparados com sofisticadas simulações clássicas de computador. Ele disse que o modelo de Fermi-Hubbard atraiu a atenção dos físicos desde a década de 1960, por isso é emocionante ter uma nova ferramenta para estudá-lo.

Exatamente quando uma abordagem como a usada no Helios-1 se tornará um verdadeiro concorrente dos melhores computadores convencionais é uma incógnita, já que muitos detalhes ainda precisam ser resolvidos, disse ele. Steve Branco na Universidade da Califórnia, Irvine. Por exemplo, ele disse que há desafios para garantir que as simulações de computadores quânticos comecem com o conjunto certo de propriedades de qubit. No entanto, White disse que as simulações quânticas podem ser um complemento às simulações clássicas, especialmente para comportamento dinâmico ou mudanças em materiais.

“Eles estão a caminho de se tornarem ferramentas úteis de simulação em matéria condensada (física)”, disse ele. “Mas ainda está nos estágios iniciais, ainda há obstáculos computacionais pela frente.”

Referência: arXivDOI: 10.48550/arXiv.2511.02125