Imagine mergulhar nas profundezas do reino quântico, onde partículas incrivelmente pequenas podem existir e interagir de mais de um trilhão de maneiras possíveis ao mesmo tempo.
É tão complexo quanto parece. Para entender esses sistemas desconcertantes e suas inúmeras configurações, os físicos geralmente recorrem a supercomputadores poderosos ou inteligência artificial para obter ajuda.
Mas e se muitos desses problemas pudessem ser resolvidos por um laptop comum?
Cientistas há muito acreditam que isso era teoricamente possível, mas na prática, alcançá-lo provou ser muito mais difícil.
Pesquisadores da Universidade de Buffalo deram agora um grande passo à frente. Eles expandiram uma técnica computacional de custo acessível conhecida como a aproximação de Wigner truncada (TWA), um tipo de atalho da física que simplifica a matemática quântica, para que possa lidar com sistemas que antes eram considerados exigentes em termos de potência computacional.
Igualmente importante, sua abordagem — descrita em um estudo publicado em setembro na PRX Quantum, um jornal da Sociedade Americana de Física — oferece uma estrutura TWA prática e de fácil utilização que permite que pesquisadores insiram seus dados e obtenham resultados significativos em poucas horas.
“Nossa abordagem oferece um custo computacional significativamente mais baixo e uma formulação muito mais simples das equações dinâmicas”, diz o autor correspondente do estudo, Jamir Marino, PhD, professor assistente de física na UB College of Arts and Sciences. “Acreditamos que este método poderá, em um futuro próximo, tornar-se a principal ferramenta para explorar esses tipos de dinâmicas quânticas em computadores de consumo.”
Marino, que se juntou à UB neste outono, começou esse trabalho enquanto estava na Universidade Johannes Gutenberg Mainz na Alemanha. Seus co-autores incluem dois de seus ex-alunos de lá, Hossein Hosseinabadi e Oksana Chelpanova, esta última agora pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Marino na UB.
A pesquisa recebeu apoio da Fundação Nacional de Ciências, da Fundação de Pesquisa da Alemanha e da União Europeia.
Adotando uma abordagem semiclassica
Nem todo sistema quântico pode ser resolvido exatamente. Fazer isso seria impraticável, à medida que o poder computacional necessário cresce exponencialmente conforme o sistema se torna mais complexo.
Em vez disso, os físicos costumam recorrer ao que é conhecido como física semiclassica — uma abordagem intermediária que mantém o suficiente do comportamento quântico para permanecer precisa, enquanto descarta detalhes que têm pouco efeito no resultado.
A TWA é uma dessas abordagens semiclassicas que remontam à década de 1970, mas é limitada a sistemas quânticos isolados e idealizados, onde não há ganho ou perda de energia.
Portanto, a equipe de Marino expandiu a TWA para os sistemas mais complicados encontrados no mundo real, onde partículas são constantemente empurradas e puxadas por forças externas e perdem energia para o ambiente, conhecido como dinâmica de spin dissipativa.
“Muitos grupos tentaram fazer isso antes de nós. É conhecido que certos sistemas quânticos complicados poderiam ser resolvidos de forma eficiente com uma abordagem semiclassica”, diz Marino. “No entanto, o verdadeiro desafio foi torná-lo acessível e fácil de fazer.”
Tornando a dinâmica quântica mais fácil
No passado, os pesquisadores que buscavam utilizar a TWA enfrentavam uma parede de complexidade. Eles tinham que rederivar a matemática do zero cada vez que aplicavam o método a um novo problema quântico.
Portanto, a equipe de Marino transformou o que costumava ser páginas de matemática densa e quase impenetrável em uma tabela de conversão direta que traduz um problema quântico em equações solucionáveis.
“Os físicos podem essencialmente aprender este método em um dia, e por volta do terceiro dia, eles estão resolvendo alguns dos problemas mais complexos que apresentamos no estudo”, diz Chelpanova.
Salvando supercomputadores para os problemas grandes
A esperança é que o novo método economize clusters de supercomputação e modelos de IA para os sistemas quânticos realmente complicados. Estes são sistemas que não podem ser resolvidos com uma abordagem semiclassica. Sistemas com não apenas um trilhão de estados possíveis, mas mais estados do que há átomos no universo.
“Muito do que parece complicado não é realmente complicado”, diz Marino. “Os físicos podem usar recursos de supercomputação nos sistemas que precisam de uma abordagem quântica completa e resolver o restante rapidamente com nossa abordagem.”
