Os cientistas estudam a matéria sob condições extremas para revelar alguns dos comportamentos mais fundamentais da natureza. O Modelo Padrão da física de partículas contém as equações necessárias para descrever esses fenômenos, mas em muitas situações do mundo real, como ambientes em rápida mudança ou matéria extremamente densa, essas equações tornam-se complexas demais até mesmo para os supercomputadores clássicos mais avançados lidarem.
A computação quântica oferece uma alternativa promissora porque, em princípio, pode representar e simular esses sistemas de forma mais eficiente. No entanto, um grande desafio é encontrar formas confiáveis de configurar os estados quânticos iniciais necessários para simulações. Neste trabalho, os pesquisadores alcançaram uma inovação: criaram um circuito quântico escalável capaz de preparar estados iniciais semelhantes aos produzidos em aceleradores de partículas para colisões de partículas. Seus testes focaram nas fortes interações descritas pelo Modelo Padrão.
A equipe primeiro identificou os circuitos necessários para um pequeno sistema usando um computador clássico. Uma vez compreendidos esses projetos, eles aplicaram a estrutura escalável do circuito para construir simulações maiores diretamente em um computador quântico. Usando o hardware quântico da IBM, eles simularam com sucesso os principais recursos da física nuclear em mais de 100 qubits.
Métodos quânticos escaláveis para física de alta densidade
Esses algoritmos quânticos escaláveis abrem a porta para simulações anteriormente inatingíveis. O método pode ser usado para simular o estado de vácuo antes de colisões de partículas, sistemas físicos extremamente densos e feixes de hádrons. Os pesquisadores esperam que as futuras simulações quânticas construídas nesses circuitos excedam as capacidades da computação clássica.
Tais simulações podem lançar luz sobre as principais questões em aberto na física, incluindo o desequilíbrio entre matéria e antimatéria, a produção de elementos pesados dentro de supernovas e o comportamento da matéria em densidades ultra-elevadas. A mesma técnica também poderia ajudar a simular outros sistemas difíceis, incluindo materiais exóticos com propriedades quânticas incomuns.
Os físicos nucleares usaram o computador quântico da IBM para realizar a maior simulação quântica digital já feita. Seu sucesso decorre, em parte, da identificação de padrões em sistemas físicos, incluindo diferenças em simetrias e escalas de comprimento, que os ajudam a projetar circuitos escaláveis que estão prontos para estados com correlações localizadas. Eles demonstraram a eficácia do algoritmo preparando estados de vácuo e hádrons em uma versão unidimensional da eletrodinâmica quântica.
De pequenos modelos a sistemas quânticos de grande escala
A equipe primeiro testou-o em um pequeno sistema usando ferramentas de computação clássicas para verificar os componentes do circuito e confirmar que o estado resultante poderia ser sistematicamente melhorado. Eles então expandiram o circuito para lidar com mais de 100 qubits e o executaram no dispositivo quântico da IBM. Usando dados dessas simulações, os cientistas extraíram as propriedades do vácuo com precisão percentual.
Eles também usaram esses circuitos para gerar pulsos de hádrons e depois simularam como esses pulsos evoluíram ao longo do tempo para rastrear sua propagação. Estes avanços anunciam um futuro em que os computadores quânticos poderão realizar simulações dinâmicas abrangentes da matéria sob condições extremas, muito além das capacidades das máquinas clássicas.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE), Escritório de Física Nuclear, Centro de Pesquisa de Simulação Quântica (IQuS) por meio do Quantum Horizons: Programa de Pesquisa e Inovação em Ciência Nuclear QIS, e pelo Centro de Ciência Quântica (QSC), DOE e o Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica da Universidade de Washington. Recursos de computação adicionais são fornecidos pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility, pelo Office of Science User Facility do Departamento de Energia e pelo Hyak Supercomputer System da Universidade de Washington. A equipe também reconheceu que o projeto utilizou serviços IBM Quantum.
