Imagine viajar profundamente no reino quântico, onde partículas inimaginavelmente pequenas podem existir e interagir de mais de um trilhão de maneiras possíveis simultaneamente.
Parece complicado. Para compreender estes sistemas intrigantes e as suas inúmeras configurações, os físicos recorrem frequentemente a supercomputadores poderosos ou à inteligência artificial em busca de ajuda.
Mas e se um laptop comum pudesse resolver muitos dos mesmos problemas?
Os cientistas há muito que pensavam que isto era possível em teoria, mas provou ser muito mais difícil de conseguir na prática.
Pesquisadores da Universidade de Buffalo deram agora um grande passo em frente. Eles estenderam uma técnica de computação econômica chamada aproximação truncada de Wigner (TWA), um atalho físico que simplifica a matemática quântica para que possa lidar com sistemas que antes se pensava que exigiam enorme poder de computação.
Igualmente importante, a sua abordagem – delineada num estudo publicado em Setembro PRX QuantumTWA, um periódico da American Physical Society, fornece uma estrutura TWA prática e fácil de usar que permite aos pesquisadores inserir dados e obter resultados significativos em poucas horas.
“Nossa abordagem proporciona custos computacionais significativamente reduzidos e uma formulação mais simples das equações cinéticas”, disse Jamil Marino, Ph.D., autor correspondente do estudo e professor assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Buffalo. “Acreditamos que esta abordagem pode se tornar uma ferramenta primária para explorar este tipo de dinâmica quântica em computadores de consumo num futuro próximo.”
Marino, que ingressou no corpo docente da UB neste outono, começou o trabalho na Universidade Johannes Gutenberg em Mainz, Alemanha. Seus coautores incluem dois de seus ex-alunos, Hossein Hosseinabadi e Oksana Chhelpanova, agora pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Marino na Universidade de Buffalo.
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pela Fundação Alemã de Pesquisa e pela União Europeia.
adotar uma abordagem semiclássica
Nem todo sistema quântico pode ser resolvido com exatidão. Fazer isso é impraticável porque o poder computacional necessário aumenta exponencialmente à medida que os sistemas se tornam mais complexos.
Em vez disso, os físicos recorrem frequentemente à chamada física semiclássica – uma abordagem intermediária que retém o comportamento quântico apenas o suficiente para permanecer preciso, ao mesmo tempo que descarta detalhes que têm pouco impacto nos resultados.
A TWA é um método semiclássico que remonta à década de 1970, mas está limitado a sistemas quânticos idealizados e isolados, nos quais nenhuma energia é ganha ou perdida.
Assim, a equipe de Marino estendeu a TWA a sistemas caóticos encontrados no mundo real, onde as partículas são constantemente empurradas e puxadas por forças externas e vazam energia para o seu entorno, também conhecida como dinâmica de spin dissipativa.
“Muitos grupos tentaram fazer isso antes de nós. Sabe-se que certos sistemas quânticos complexos podem ser resolvidos de forma eficiente por métodos semiclássicos”, disse Marino. “O verdadeiro desafio, no entanto, é torná-lo acessível e fácil de operar.”
Dinâmica quântica simplificada
No passado, os investigadores que queriam utilizar a TWA enfrentavam desafios de complexidade. Cada vez que aplicavam o método a um novo problema quântico, tinham que derivar novamente a matemática do zero.
Assim, a equipe de Marino transformou o que costumava ser uma matemática densa e quase impenetrável em uma simples tabela de conversão que transforma problemas quânticos em equações solucionáveis.
“Os físicos podem basicamente aprender esse método em um dia e, por volta do terceiro dia, podem resolver alguns dos problemas mais complexos que colocamos em nossa pesquisa”, disse Cherpanova.
Deixe os supercomputadores resolverem grandes problemas
Espera-se que a nova abordagem salve clusters de supercomputação e modelos de inteligência artificial para sistemas quânticos verdadeiramente complexos. Esses sistemas não podem ser resolvidos usando métodos semiclássicos. Os sistemas não apenas têm um trilhão de estados possíveis, mas também há mais do que átomos no universo.
“Muitas coisas que parecem complicadas não são realmente complicadas”, disse Marino. “Os físicos podem usar recursos de supercomputação em sistemas que exigem métodos quânticos sofisticados e resolver rapidamente os problemas restantes com nosso método.”
