Cientistas estudam a matéria em condições extremas para descobrir 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 reais, como ambientes em rápida mudança ou matéria extremamente densa, essas equações se tornam muito complexas até para os supercomputadores clássicos mais avançados.
A computação quântica oferece uma alternativa promissora porque, em princípio, pode representar e simular esses sistemas de forma muito mais eficiente. Um grande desafio, no entanto, é encontrar métodos confiáveis para configurar o estado quântico inicial que uma simulação precisa. Neste trabalho, pesquisadores alcançaram um feito inédito: criaram circuitos quânticos escaláveis capazes de preparar o estado inicial de uma colisão de partículas semelhante àquelas produzidas em aceleradores de partículas. Seu teste se concentra nas interações fortes descritas pelo Modelo Padrão.
A equipe começou determinando os circuitos necessários para sistemas pequenos, usando computadores clássicos. Uma vez que esses designs foram conhecidos, eles aplicaram a estrutura escalável dos circuitos para construir simulações muito maiores diretamente em um computador quântico. Usando o hardware quântico da IBM, eles simularam com sucesso características-chave da física nuclear em mais de 100 qubits.
Métodos Quânticos Escaláveis para Física de Alta Densidade
Esses algoritmos quânticos escaláveis abrem as portas para simulações que estavam anteriormente fora de alcance. A abordagem pode ser usada para modelar o estado de vácuo antes de uma colisão de partículas, sistemas físicos com densidades extremamente altas e feixes de hádrons. Os pesquisadores antecipam que futuras simulações quânticas baseadas nesses circuitos superarão o que a computação clássica pode alcançar.
Essas simulações podem esclarecer grandes questões em aberto na física, incluindo o desequilíbrio entre matéria e antimatéria, a criação de elementos pesados dentro de supernovas e o comportamento da matéria em ultra-altas densidades. As mesmas técnicas também podem ajudar a modelar outros sistemas difíceis, incluindo materiais exóticos com propriedades quânticas incomuns.
Físicos nucleares usaram os computadores quânticos da IBM para realizar a maior simulação quântica digital já concluída. Seu sucesso deveu-se, em parte, à identificação de padrões em sistemas físicos, incluindo simetrias e diferenças em escalas de comprimento, o que os ajudou a projetar circuitos escaláveis que preparam estados com correlações localizadas. Eles demonstraram a eficácia desse algoritmo preparando o estado de vácuo e hádrons dentro de uma versão unidimensional da eletrodinâmica quântica.
Avançando de Modelos Pequenos para Sistemas Quânticos de Grande Escala
A equipe validou os componentes de seu circuito testando-os primeiro em sistemas pequenos com ferramentas de computação clássica, confirmando que os estados resultantes poderiam ser aprimorados sistematicamente. Eles então expandiram os circuitos para lidar com mais de 100 qubits e os executaram nos dispositivos quânticos da IBM. Usando os dados dessas simulações, os cientistas extrairam propriedades do vácuo com precisão em nível de percentual.
Eles também usaram os circuitos para gerar pulsos de hádrons, e então simularam como esses pulsos evoluíram ao longo do tempo para rastrear sua propagação. Esses avanços apontam para um futuro em que computadores quânticos podem realizar simulações dinâmicas completas de matéria em condições extremas que estão bem além do alcance de máquinas clássicas.
Esta pesquisa recebeu apoio do Departamento de Energia (DOE), Escritório de Ciência, Escritório de Física Nuclear, InQubator for Quantum Simulation (IQuS) por meio da Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science Initiative, e do Quantum Science Center (QSC), um Centro de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica Nacional do DOE e da Universidade de Washington. Recursos adicionais de computação foram fornecidos pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility, um Local de Usuário do Escritório de Ciência do DOE, e pelo sistema de supercomputação Hyak da Universidade de Washington. A equipe também reconhece o uso dos serviços quânticos da IBM para este projeto.
