Computação quântica híbrida pode melhorar a modelação de bosões

Apesar de todo o seu potencial, os computadores quânticos têm dificuldade em modelar as interações entre as duas famílias de elementos fundamentais do Universo. É como imaginar um chefe de cozinha incapaz de explicar como o açúcar e o leite se transformam num bolo.

Uma equipa de investigadores poderá, porém, ter encontrado uma forma de ultrapassar este obstáculo: modelou um computador quântico «híbrido» teórico, que promete reunir o melhor dos dois mundos.

Computação quântica híbrida e as partículas do Universo

As partículas fundamentais que compõem o bolo cósmico da nossa existência dividem-se em dois grupos: fermiões e bosões.

Em termos simples, os fermiões são partículas de matéria, como os eletrões e os protões. Entre os bosões encontram-se partículas que transmitem forças, como os fotões, ou partículas de luz, responsáveis pela força eletromagnética.

Os computadores quânticos são excelentes a modelar fermiões, pois estes são mais discretos, tal como os qubits que estão na base da computação quântica.

Os bosões, pelo contrário, são mais difíceis de modelar: podem ocupar o mesmo estado quântico e «sobrepor-se», pelo que é possível ter uma pilha quântica com um número infinito de bosões.

Um novo enquadramento teórico poderá contornar este problema e impulsionar a computação quântica. A proposta surge de um estudo realizado por físicos, engenheiros e especialistas em informática, liderados por Eleanor Crane, docente de computação quântica no King's College de Londres.

Num artigo publicado na revista Physical Review X, a equipa descreve uma estratégia de computação quântica híbrida que integra duas tecnologias existentes: os qubits usados nos computadores quânticos e os ressonadores de cavidade de micro-ondas, pequenas caixas que contêm campos eletromagnéticos oscilantes.

Estes ressonadores já são utilizados em sistemas supercondutores, mas os investigadores propõem usá-los para armazenar informação quântica durante o processamento.

Para reproduzir o comportamento dos bosões, os computadores quânticos têm de recorrer a muitos qubits, que são discretos como os fermiões. Contudo, aumentar a escala desta abordagem também faz subir a taxa de erro. A incorporação de ressonadores poderá evitar essa dificuldade e representar um avanço:

«Como esta [estrutura híbrida] reduz o trabalho mil vezes, os problemas de química e de materiais com valor prático poderão ficar ao alcance das máquinas que estão a ser construídas hoje, muito antes de chegarem os grandes computadores com correção de erros», afirmam os investigadores no resumo do seu trabalho destinado ao público geral.

Ao estabelecer as bases para uma integração digital fluida do sistema híbrido, a equipa fez algo comparável a apresentar dois fãs de Star Trek de regiões diferentes do mundo e pô-los a comunicar em klingon como língua comum.

Modelos para comparar computadores quânticos

Para criar uma base de comparação entre a computação quântica tradicional e a híbrida, os investigadores desenvolveram modelos de um divisor de feixe, que divide ou combina luz, bem como de dois pequenos miniuniversos extremamente simplificados.

Um exemplo é a modelação de calibre em (2+1) dimensões, «sabidamente difícil», que inclui apenas duas dimensões espaciais e a dimensão do tempo, remetendo para os tempos de Pong ou Sonic.

Face ao entusiasmo dos meios de comunicação populares em torno da computação quântica, isto pode parecer pouco impressionante, mas constitui, na verdade, um ponto de equilíbrio científico.

Modelar fenómenos numa única dimensão espacial é demasiado simples, enquanto fazê-lo nas três dimensões espaciais e uma temporal do Universo que conhecemos é extremamente difícil.

«Como esta [estrutura híbrida] reduz o trabalho mil vezes, os problemas de química e de materiais com valor prático poderão ficar ao alcance das máquinas que estão a ser construídas hoje, muito antes de chegarem os grandes computadores com correção de erros», afirmam os investigadores.

Talvez surpreendentemente, as teorias em (2+1) dimensões têm relevância no mundo real.

O grafeno, por exemplo, considerado o material mais resistente conhecido, é efetivamente bidimensional. As interações em duas dimensões também são essenciais para a forma como os eletrões circulam nos materiais supercondutores, com implicações importantes para o armazenamento de energia.

Precisão e aplicações da computação quântica híbrida

No conjunto, os investigadores sugerem que a computação quântica híbrida pode ser muito mais precisa - e em breve.

Por exemplo, para igualar um sistema de qubits e bosões com uma fidelidade de 99,9% por porta lógica - isto é, a precisão com que uma porta lógica modifica o estado quântico de um qubit -, um computador de topo baseado apenas em qubits precisaria de atingir uma fidelidade por porta de, pelo menos, 99,9999%.

Esta quantidade de «noves» representa uma diferença de três ordens de grandeza e é atualmente impossível de alcançar.

Os sistemas de qubits e bosões poderão ajudar a esclarecer vários mistérios importantes, como as interações entre fonões - quasipartículas de energia vibracional - e eletrões, fornecendo um modelo fundamental para supercondutores de alta temperatura.

O trabalho poderá ainda reduzir os erros da computação quântica ao diminuir o número de portas lógicas de qubits que, de outro modo, teriam de ser encadeadas. A eliminação dos «qubits auxiliares» usados como cães de guarda para detetar erros libertaria recursos adicionais.

Independentemente da estratégia adotada, a computação quântica poderá ter consequências capazes de transformar o mundo:

«Compreender como as plantas transportam a luz solar para a transformar em energia, como alguns materiais conduzem eletricidade sem perdas ou como os medicamentos se ligam aos seus alvos poderá levar a melhores células solares, redes elétricas e medicamentos», explicam os investigadores.

«Todos são problemas quânticos demasiado difíceis para qualquer supercomputador clássico e todos envolvem bosões: vibrações ou partículas de luz.»

Os investigadores salientam que um dos aspetos talvez mais intrigantes deste trabalho é a sua aparente disponibilidade a curto prazo, por se tratar de uma estrutura aplicável.

Se fosse possível combinar «simplesmente» um qubit e um oscilador, essa união permitiria obter melhores resultados em computação quântica, reduzindo a utilização de recursos.

Felizmente, tanto os qubits como os osciladores são comuns.

«Na minha opinião, o aspeto mais encorajador desta proposta é o facto de os requisitos de equipamento serem tão modestos. Os dispositivos disponíveis a curto prazo podem satisfazê-los, sem ser necessário esperar pela correção de erros quânticos», afirma Anthony Ciavarella, investigador em computação no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia.

«Este trabalho estabelece um objetivo concreto para o desenvolvimento de equipamento, e as fidelidades de porta necessárias estão próximas das que os dispositivos existentes já conseguem atingir.»

A investigação foi publicada na Physical Review X.

Este artigo foi verificado e editado por Fiona MacDonald. Embora nos orgulhemos do nosso processo, somos humanos. Se detetar um erro, informe-nos.