Os principais usos dos computadores quânticos podem nem exigi-los

À medida que os computadores quânticos avançam, a identificação de problemas que podem ser resolvidos mais rapidamente do que os melhores computadores convencionais do mundo está a tornar-se cada vez mais importante – mas acontece que as principais tarefas que os proponentes quânticos pretendem no futuro podem não exigir computadores quânticos.

A tarefa em questão envolve uma molécula chamada FeMoco, que desempenha um papel importante para tornar possível a vida na Terra. Isso ocorre porque esse processo faz parte do processo de fixação de nitrogênio, onde os micróbios convertem o nitrogênio da atmosfera em amônia, tornando-o biologicamente acessível à maioria dos outros organismos vivos. A forma como o FeMoco funciona durante este processo é complexa e ainda não é totalmente compreendida, mas se conseguirmos quebrá-lo e replicá-lo à escala industrial, poderá reduzir drasticamente a energia necessária para produzir fertilizantes, aumentando potencialmente o rendimento das colheitas.

Um aspecto importante para a compreensão do FeMoco é determinar sua energia mais baixa, ou “estado fundamental”, que envolve o cálculo do comportamento de seus muitos elétrons. Mas os elétrons são partículas quânticas que podem se comportar como ondas e ocupar muitas regiões diferentes chamadas orbitais. Este nível de complexidade – com muitos elétrons em muitos orbitais – é a razão pela qual computar muitas das propriedades do FeMoco tem sido, até agora, difícil com computadores convencionais.

Os investigadores obtiveram algum sucesso utilizando métodos de estimativa, mas a precisão das suas estimativas de energia ainda é limitada. Por outro lado, as investigações matemáticas provaram rigorosamente que os computadores quânticos, que codificam esta complexidade de uma forma fundamentalmente diferente, podem resolver problemas sem aproximação – um exemplo claro da chamada vantagem quântica.

Mas agora, Garnet Kin-Lic Chan do Instituto de Tecnologia da Califórnia e colegas descobriram um método de computação convencional que parece capaz de atingir a mesma precisão que os métodos quânticos. Uma métrica chave é a noção de “precisão química”, ou a precisão mínima necessária para fazer previsões realistas para processos químicos. Com base em seus cálculos, Chan e seus colegas argumentam que os supercomputadores convencionais também podem calcular a energia do estado fundamental do FeMoco com a mesma precisão.

FeMoco tem muitos estados quânticos, cada um com sua própria energia, e é organizado como uma escada com o estado fundamental na parte inferior. Para tornar o alcance do degrau inferior mais acessível aos algoritmos de computador clássicos, os investigadores concentraram-se no que sabemos sobre os países no degrau mais próximo e no que as suas propriedades implicam sobre o que poderia estar um ou dois degraus abaixo deles. Isto inclui, por exemplo, insights sobre a simetria dos estados quânticos de elétrons.

Em última análise, esta simplificação permitiu aos investigadores usar um algoritmo clássico para calcular um limite superior na energia do estado fundamental do FeMoco e, em seguida, extrapolá-lo matematicamente para um valor de energia com incerteza que corresponda à precisão química. Em outras palavras, sua resposta final sobre a energia mais baixa da molécula deve ser precisa o suficiente para ser utilizada em pesquisas futuras.

Os investigadores também estimam que os métodos de supercomputadores podem até ser mais rápidos do que os métodos quânticos, realizando cálculos em menos de um minuto que levariam 8 horas num dispositivo quântico – embora estas estimativas assumam o desempenho ideal do supercomputador.

Então, isso significa que em breve compreenderemos o FeMoco suficientemente bem para melhorar a agricultura? Não é bem assim – ainda existem muitas questões sem resposta, por exemplo, quais as partes da molécula que interagem mais com o azoto ou que moléculas podem ser produzidas como passos intermédios no processo de fixação do azoto.

“Este trabalho não nos diz muito sobre o sistema FeMoco em termos de sua função, mas como modelo para demonstrar a superioridade do quantum, ele eleva o padrão para abordagens quânticas”, disse David Reichmann na Universidade de Columbia, em Nova York.

Dominic Berry da Universidade Macquarie, em Sydney, Austrália, mostraram que embora o trabalho da equipe mostre que os computadores clássicos podem resolver o problema FeMoco, eles ainda são capazes apenas de realizar aproximações, enquanto os métodos quânticos garantem que o problema pode ser totalmente resolvido.

“Isso desafia o argumento do uso de computadores quânticos para problemas como este, mas para sistemas mais complexos, espera-se que os tempos computacionais para métodos clássicos aumentem muito mais rapidamente em comparação com algoritmos quânticos”, disse ele.

Outro problema é que os computadores quânticos ainda estão em desenvolvimento. Os computadores quânticos atuais são demasiado pequenos e propensos a erros para resolver problemas como a energia fundamental do FeMoco, mas espera-se que chegue em breve uma nova geração de computadores quânticos tolerantes a erros, capazes de corrigir os seus próprios erros. Na prática, esta ainda pode ser a melhor maneira de compreender o FeMoco e moléculas relacionadas, disse Berry. “A computação quântica deve permitir que esses sistemas sejam resolvidos de forma mais geral, tornando-os cálculos rotineiros quando computadores quânticos tolerantes a falhas estiverem disponíveis.”