Ilustração 3D de um computador quântico
aventura/Getty Images
Apesar de todo o entusiasmo em torno dos computadores quânticos, a tecnologia às vezes pode parecer uma solução em busca de um problema. Cientificamente impressionante, mas ainda não claramente útil no mundo real. No entanto, a procura de aplicações começa agora a dar frutos – especialmente a procura de materiais quânticos exóticos que possam acelerar o desenvolvimento de novos dispositivos eletrónicos e de sistemas de computação ainda mais sofisticados.
Descobrir e investigar novas fases – nomeadamente fases de gelo ou a fase líquida mais exótica da água – está no cerne da física da matéria condensada. Este campo ajudou-nos a compreender os semicondutores que fazem os computadores tradicionais funcionar e, em última análise, deu-nos supercondutores práticos, que podem conduzir eletricidade com perfeita eficiência.
Mas é cada vez mais difícil utilizar experiências tradicionais para estudar algumas das fases mais complexas previstas pela teoria. Por exemplo, uma estrutura teórica conhecida como modelo de favo de mel de Kitaev prevê a existência de materiais que exibem tipos incomuns de magnetismo, e também materiais que contêm quasipartículas incomuns – entidades semelhantes a partículas – conhecidas como anyons. Na verdade, tem havido uma “busca de décadas para realmente projetar isso em materiais do mundo real”, diz Simon Evered na Universidade de Harvard.
Ele e seus colegas simularam isso usando um computador quântico que possui 104 qubits feitos de átomos super-resfriados. E eles não são os únicos pesquisadores que fazem isso. Frank Pollman da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, e colegas usaram os computadores quânticos Sycamore e Willow do Google, que abrigam 72 e 105 qubits supercondutores respectivamente, para simular um estado de matéria nunca antes visto que também vem de uma versão do modelo de favo de mel de Kitaev. Ambas as equipes publicaram suas pesquisas.
“Esses dois artigos usam computadores quânticos para explorar novas fases da matéria que até agora só foram previstas em teoria, mas ainda não foram realizadas em experimentos”, disse Petr Zapletal na Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha, que não esteve envolvido em nenhum dos estudos. “O que é emocionante é a rapidez com que as simulações de sistemas quânticos e matéria condensada em computadores quânticos estão se tornando mais avançadas.”
Ambas as equipes de pesquisa confirmaram a presença de alguém em suas simulações. Isto por si só fala do progresso dos computadores quânticos e da sua utilidade final, uma vez que anyons são partículas exóticas que são fundamentalmente diferentes dos qubits e, portanto, difíceis de imitar.
Todas as outras partículas existentes se enquadram em duas outras categorias – férmions e bósons. Os de maior interesse para químicos e cientistas de materiais são geralmente férmions, mas qubits tendem a ser bósons. As diferenças entre os dois, como o seu spin ou o seu comportamento em grandes grupos, tornam difícil simular férmions se você começar com bósons, mas experimentos de computador quântico com átomos frios usam o modelo de Kitaev para preencher a lacuna. Marcin Kalinowski da Universidade de Harvard, que trabalhou neste experimento, dizem que estão usando o modelo de Kitaev como uma “tela” para a nova física – começando com este modelo, ele e seus colegas foram capazes de encorajar o surgimento de quase-partículas em simulações, ajustando as interações entre qubits. É até possível que algumas das novas partículas possam ser usadas para simular mais materiais novos, disse Kalinowski.
A experiência com computadores do Google incluiu outro elemento importante. Ele se concentra em desequilibrar o material simulado – o equivalente a sacudi-lo constantemente. As fases de desequilíbrio da matéria são amplamente inexploradas, apesar de estudos semelhantes em laboratório, como experimentos em que um material é repetidamente exposto à luz laser, disse Pollmann. Dessa forma, a pesquisa de sua equipe reflete como os físicos da matéria condensada em laboratório podem expor um material a temperaturas frias ou a campos magnéticos elevados e então tentar diagnosticar como sua fase mudou. Tal diagnóstico é muito importante porque pode, em última análise, revelar em que condições o material pode ser utilizado.
Obviamente, esta experiência não produzirá imediatamente nada de útil. Na verdade, para que fosse aplicável no mundo real, os investigadores teriam de repetir a sua análise num computador quântico maior e menos sujeito a erros – do tipo que ainda não temos. Mas ambas as experiências abrem oportunidades nas quais os computadores quânticos podem explorar a física e talvez produzir descobertas de forma semelhante a outras ferramentas experimentais que os investigadores têm utilizado durante décadas.
Que a ciência dos materiais possa ser o primeiro lugar onde os computadores quânticos provam o seu valor não é surpreendente. Isto é consistente com a forma como os antepassados da computação quântica, como Richard Feynman, falaram sobre esta tecnologia na década de 1980, muito antes de alguém saber como fazer um único qubit, quanto mais dezenas. E isto contrasta fortemente com a forma como a computação quântica é frequentemente apresentada, onde a ênfase está em experiências que mostram que os computadores quânticos superam os computadores clássicos em tarefas não relacionadas com aplicações práticas.
“O valor do desenvolvimento da computação quântica como uma abordagem à ciência, não apenas do ponto de vista do desempenho de dispositivos individuais, é inegável em experimentos como este”, disse Kalinowski.
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