Supercomputadores aprimorados quânticas começam a fazer química

Computadores quânticos e supercomputadores convencionais trabalhando juntos poderiam ser uma ferramenta inestimável para a compreensão da química. Uma colaboração entre a IBM e o instituto científico japonês RIKEN estabeleceu agora um caminho para atingir este objectivo.

Prever o que uma molécula irá fazer numa reação – por exemplo, como parte de um tratamento médico ou catalisador industrial – depende muitas vezes da compreensão do estado quântico dos seus eletrões. Os computadores quânticos podem acelerar o processo de cálculo desses estados, mas na sua forma atual, ainda estão sujeitos a erros. Os supercomputadores convencionais podem detectar esses erros antes que se tornem um problema.

Numa declaração conjunta Novo Cientista, Seiji Yunoki E Mitsuhisa Sato da RIKEN dizem que os computadores quânticos podem levar os computadores tradicionais a novas capacidades. Agora eles e seus colegas usaram o computador quântico Heron da IBM e o supercomputador Fugaku da RIKEN para modelar moléculas de nitrogênio, bem como duas moléculas diferentes feitas de ferro e enxofre.

Os pesquisadores usaram até 77 bits quânticos, ou qubits, e um algoritmo chamado SQD para compartilhar cálculos de estados quânticos moleculares entre máquinas. Os computadores quânticos fazem cálculos enquanto os supercomputadores verificam e corrigem erros. Por exemplo, se Heron criasse uma função matemática que descrevesse mais elétrons do que os contidos nas moléculas existentes, Fugaku descartaria essa parte da solução e faria com que Heron atualizasse e repetisse os cálculos.

Este método híbrido ainda não superou o melhor cenário do que um supercomputador pode fazer sozinho, mas ainda é competitivo com algumas abordagens padrão, disse Jay Gambet na IBM, que não esteve envolvida no experimento. “Trata-se (agora) apenas de comparar ferramentas computacionais.”

No curto prazo, essas intervenções são o “molho secreto” para fazer com que computadores quânticos propensos a erros realizem trabalhos químicos, disse ele. Kenneth Merz na Clínica Cleveland em Ohio. Usando um computador quântico IBM diferente dos computadores clássicos, sua equipe desenvolveu uma variação do algoritmo SQD que pode modelar moléculas em solução, o que é uma representação mais realista de experimentos químicos do que os modelos anteriores.

Na opinião de Merz, uma maior otimização do SQD poderia ajudar a combinação da computação quântica e convencional a obter vantagens reais sobre a computação convencional no próximo ano.

“A combinação de computadores quânticos e supercomputadores não é apenas benéfica – é inevitável”, disse ele Sam Stanwyck na empresa de computação NVIDIA. Um uso realista da computação quântica seria quando um processador quântico fosse integrado a um poderoso processador clássico no centro de um supercomputador, disse ele. A NVIDIA desenvolveu uma plataforma de software que visa oferecer suporte a essa abordagem híbrida.

Parece plano da Microsoft disse que a empresa também está visando o “tremendo potencial na combinação de computação quântica, supercomputação e IA para acelerar e transformar a química e a ciência dos materiais”.

Mas embora as partes interessadas na indústria da computação quântica apoiem esta ideia, muitos desafios permanecem. Marcos Cegonha da ETH Zurique, na Suíça, disse que os resultados do experimento RIKEN são encorajadores, mas ainda não está claro se esta abordagem se tornará a forma preferida de realizar química quântica computacional. Uma razão é que a precisão da resposta final do par de supercomputadores quânticos ainda é incerta. Por outro lado, existem métodos convencionais bem estabelecidos para realizar tais cálculos – e funcionam muito bem.

Espera-se que a integração de computadores quânticos em processos de computação ajude a modelar moléculas maiores ou a trabalhar mais rapidamente. Mas Reiher disse que ampliar esta nova abordagem pode ser difícil.

Gambetta disse que uma nova versão do computador quântico Heron da IBM foi instalada na RIKEN em junho – e produziu menos erros do que os modelos anteriores. Ele prevê maiores atualizações de hardware em um futuro próximo.

Os pesquisadores também ajustaram o algoritmo SQD e otimizaram a forma como Heron e Fugaku trabalham em paralelo para tornar o processo mais eficiente. Merz diz que a situação é semelhante à dos supercomputadores convencionais da década de 1980: há sempre problemas não resolvidos, mas a incorporação de novas tecnologias pode trazer enormes benefícios.