Os computadores quânticos serão mais úteis do que o esperado em 2025

Durante o ano passado, continuei contando aos meus editores a mesma história: os computadores quânticos em breve seriam úteis para a descoberta científica.

Claro, esse sempre foi o objetivo. A ideia de usar computadores quânticos para entender melhor o nosso universo faz parte de sua história de origem, e é até apresentada em um 1981 discurso de Richard Feynman. Ao considerar a melhor forma de simular a natureza, ele escreveu: “Podemos abandonar as nossas regras sobre o que é um computador, podemos dizer: Deixe o próprio computador ser construído a partir de elementos da mecânica quântica que obedecem às leis da mecânica quântica”.

Hoje, a visão de Feynman foi concretizada pelo Google, pela IBM e por dezenas de outras empresas e equipes acadêmicas. O seu dispositivo está agora a ser usado para simular a realidade a nível quântico – e aqui estão alguns dos destaques.

Para mim, os desenvolvimentos quânticos deste ano começaram com dois estudos que chegaram à minha mesa em junho, que abordavam a física de partículas de alta energia. Duas equipes de pesquisa distintas usaram dois computadores quânticos muito diferentes para simular o comportamento de pares de partículas em campos quânticos. Um usa o chip Sycamore do Google, feito de minúsculos circuitos supercondutores controlados por microondas, e o outro usa um chip produzido pela empresa de computação quântica QuEra, baseado em átomos super-resfriados controlados com lasers e forças eletromagnéticas.

Os campos quânticos codificam como uma força, como uma força eletromagnética, atuará sobre uma partícula em qualquer posição do universo. Eles também têm estruturas locais que determinam o comportamento que você deve observar se ampliar qualquer partícula. Tais campos são difíceis de simular no caso da dinâmica de partículas – quando as partículas fazem algo ao longo do tempo e você quer fazer algo como um filme sobre isso. Para as duas versões altamente simplificadas dos campos quânticos que aparecem no modelo padrão da física de partículas, os dois computadores quânticos realizam exatamente a mesma tarefa.

Jad Halimeh da Universidade de Munique, que trabalha nesta área, mas não esteve envolvido em nenhuma das experiências, até me disse que uma versão mais sofisticada desta experiência, simulando campos mais complexos num computador quântico maior, poderia, em última análise, ajudar-nos a compreender o que as partículas fazem em colisores de partículas.

Três meses depois, falei por telefone com duas outras equipes de pesquisa, discutindo mais uma vez os mesmos dois tipos de computadores quânticos, que agora eram usados ​​para a física da matéria condensada. A física da matéria condensada é muito importante para mim porque a estudei na pós-graduação, mas seu impacto vai muito além das inclinações deste colunista. Isto é fundamental para o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores subjacente aos dispositivos do dia-a-dia, como os smartphones.

Em setembro, pesquisadores da Universidade de Harvard e da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, usaram computadores quânticos para simular duas fases exóticas da matéria que haviam sido previstas em teoria, mas que escaparam de experimentos mais tradicionais. Os computadores quânticos provaram ser adeptos da previsão das propriedades destes materiais estranhos, algo que o cultivo e a investigação de cristais em laboratório não conseguiram até agora.

Outubro traz a perspectiva do uso prático do novo computador quântico supercondutor do Google, chamado Willow. Os pesquisadores da empresa e seus colegas usam Willow para executar algoritmos que podem ser usados ​​para interpretar dados de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), que é uma técnica comumente usada para estudar moléculas em pesquisas bioquímicas.

Embora a demonstração da equipa com dados reais de RMN não tenha conseguido nada que um computador tradicional não conseguisse, os cálculos matemáticos do algoritmo prometem algum dia ultrapassar as capacidades das máquinas clássicas, permitindo aos investigadores estudar detalhes sem precedentes sobre moléculas. A rapidez com que isso acontece depende da velocidade com que o hardware da computação quântica melhora.

Um mês depois, o terceiro tipo de computador quântico começou a se tornar assunto de conversa. Uma empresa chamada Quantinuum mostrou que um computador quântico Helios-1 feito de íons aprisionados poderia executar simulações de modelos matemáticos para condutividade elétrica perfeita, ou supercondutividade. Como os supercondutores conduzem eletricidade sem perdas, eles poderiam abrir a porta para uma eletrônica altamente eficiente ou até mesmo tornar a rede elétrica mais ecológica. No entanto, todos os supercondutores conhecidos só funcionam a altas pressões ou temperaturas muito baixas, o que os torna impraticáveis. Um modelo matemático que revele exatamente por que alguns materiais são supercondutores seria um importante trampolim para a construção de supercondutores úteis.

Helios-1 simula o que Secador Henrikum pesquisador da Quantinuum me disse que este é provavelmente o modelo mais importante; aquele que atraiu a atenção dos físicos desde a década de 1960. Embora esta simulação em particular não ofereça novos insights radicais sobre a supercondutividade, ela anuncia os computadores quânticos como atores valiosos nos esforços de longo prazo dos físicos para entendê-la melhor.

Uma semana depois, recebi uma ligação Sabrina Maniscalco da empresa de algoritmos quânticos Algorithmiq, discute metamateriais. Estes são materiais cujos detalhes microscópicos podem ser projetados para terem propriedades especiais que os materiais naturais não possuem. Esses materiais também podem ser criados especialmente para determinados fins, desde capas de invisibilidade rudimentares até produtos químicos que podem acelerar reações.

Metamateriais também é algo que experimentei quando era estudante de pós-graduação, e a equipe da Maniscalco fez com sucesso como simular usando um computador quântico IBM feito de circuitos supercondutores. Em particular, eles podem rastrear como os metamateriais embaralham informações, inclusive sob condições em que computadores mais convencionais podem ter dificuldades. Embora isso possa parecer uma configuração um tanto abstrata, Maniscalco me disse que isso poderia avançar na pesquisa sobre catalisadores químicos, bem como baterias de estado sólido e certos dispositivos que convertem luz em eletricidade.

Como se a física de partículas, novas fases da matéria, sondas moleculares, supercondutores e metamateriais não bastassem, conforme descrevi esta coluna, recebi uma dica sobre um estudo onde uma equipe de pesquisadores da Universidade de Maryland, nos EUA, e da Universidade de Waterloo, no Canadá, usou um computador quântico de íons aprisionados para determinar como as partículas ligadas pela força nuclear forte se comportam em diferentes temperaturas e densidades. Acredita-se que parte desse comportamento ocorra dentro de estrelas de nêutrons, que são objetos cósmicos pouco compreendidos, e também ocorreu no universo primitivo.

Embora os cálculos quânticos realizados pela equipe envolvessem aproximações que não correspondem aos modelos mais realistas da força forte, esta pesquisa prova a existência de outras áreas da física onde os computadores quânticos estão em ascensão como motores de descoberta.

É claro que esses muitos exemplos também trazem muitas advertências e pontos de interrogação. A maioria dos modelos matemáticos que foram simulados em hardware quântico requerem uma certa simplificação e aproximação em comparação com os modelos mais realistas, a maioria dos computadores quânticos ainda são tão propensos a erros que requerem pós-processamento de resultados computacionais para reduzir ou eliminar esses erros, e o problema de comparar os resultados dos computadores quânticos com o melhor que os computadores convencionais podem fazer continua a ser um problema difícil.

Simplificando, os métodos computacionais e de simulação tradicionais são outra área em que o progresso é rápido e excitante, colocando os investigadores da computação clássica e quântica numa situação dinâmica onde os cálculos mais complexos ou mais rápidos do passado se tornarão inevitavelmente secundários no futuro. No mês passado, a IBM até fez parceria com várias outras empresas para lançar “rastreador de lucro quântico”, que acabará por se tornar uma tabela de classificação mostrando se os computadores quânticos são mais avançados do que os computadores convencionais – ou não.

Mas mesmo que os computadores quânticos não estejam no topo da lista tão cedo, os relatórios do ano passado ainda mudaram minhas prioridades para o entusiasmo e a expectativa. Isso ocorre porque esses experimentos transformam efetivamente os computadores quânticos de um objeto de estudo científico em uma ferramenta para fazer ciência de uma forma que era impossível há apenas alguns anos.

No início deste ano, espero escrever muito sobre experiências de benchmarking, onde computadores quânticos executam protocolos que demonstram a sua mediocridade em vez de resolverem problemas úteis. Cálculos como estes servem frequentemente para realçar como os computadores quânticos são diferentes dos computadores convencionais e podem sublinhar o seu potencial para fazer coisas radicalmente novas. Mas o caminho a partir daí até cálculos úteis para um físico em atividade parece longo e de forma alguma claro. Agora, mesmo com cautela, acho que o caminho pode ser mais curto do que eu imaginava. Tenho certeza de que mais surpresas quânticas me aguardarão em 2026.