Os cientistas estudam a matéria sob 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 do mundo real, como ambientes em rápida mudança ou matéria altamente densa, essas equações tornam-se complexas demais até mesmo para os supercomputadores clássicos mais avançados lidarem.
A computação quântica oferece uma alternativa promissora porque, em princípio, pode representar e simular estes sistemas de forma mais eficiente. Um grande desafio, no entanto, é encontrar métodos confiáveis para estabelecer os estados quânticos iniciais que uma simulação requer. Neste trabalho, os pesquisadores conseguiram uma inovação: criaram circuitos quânticos escaláveis capazes de preparar as condições iniciais para colisões de partículas produzidas em aceleradores de partículas. Seus testes focaram nas fortes interações descritas pelo Modelo Padrão.
A equipe começou determinando os circuitos necessários para o pequeno sistema usando computadores clássicos. Uma vez conhecidos esses projetos, eles aplicaram a estrutura escalável do circuito para criar simulações muito maiores diretamente em um computador quântico. Usando o hardware quântico da IBM, eles simularam com sucesso características importantes da física nuclear em mais de 100 qubits.
Métodos quânticos escaláveis para física de alta densidade
Esses algoritmos quânticos escaláveis abrem a porta para simulações que antes estavam fora de alcance. O método pode ser usado para modelar o estado de vácuo antes da colisão de uma partícula, sistemas físicos com densidades extremamente altas e feixes de hádrons. Os pesquisadores prevêem que futuras simulações quânticas construídas nesses circuitos superarão o que a computação clássica pode realizar.
Tais simulações podem lançar luz sobre as principais 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 densidades ultra-altas. As mesmas técnicas podem ajudar a modelar outros sistemas sólidos com materiais exóticos com propriedades quânticas incomuns.
Os físicos nucleares realizaram a maior simulação quântica digital já concluída usando o computador quântico da IBM. Seu sucesso resultou em parte da identificação de padrões em sistemas físicos, incluindo diferenças em simetrias e escalas de comprimento, o que lhes permitiu projetar circuitos escaláveis que produziam estados com correlações locais. Eles demonstraram a eficácia deste algoritmo preparando o estado de vácuo e os hádrons dentro de uma versão unidimensional da eletrodinâmica quântica.
Passando de modelos pequenos para sistemas quânticos de grande escala
A equipe primeiro verificou os componentes do circuito testando-os em pequenos sistemas com ferramentas de computação clássicas, garantindo que as condições resultantes pudessem ser sistematicamente melhoradas. Eles então expandiram os circuitos para lidar com mais de 100 qubits e os executaram em dispositivos quânticos da IBM. Usando dados dessas simulações, os cientistas deduziram as propriedades do vácuo com precisão percentual.
Eles também usaram circuitos para gerar pulsos de hádrons e depois simularam como esses pulsos evoluíram ao longo do tempo para rastrear sua propagação. Esses avanços apontam para um futuro onde os computadores quânticos poderão executar simulações totalmente dinâmicas da matéria sob condições extremas que estão além do alcance das máquinas clássicas.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE), Escritório de Física Nuclear, o Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science Initiative, e o Quantum Science Center (QSC), uma incubadora para simulação quântica (IQS) através do DOE e do Centro Nacional de Pesquisa de Ciência Quantum da Universidade de Washington. Recursos de computação adicionais foram fornecidos pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility, um DOE Office of Science User Facility e pelo Hike Supercomputer System da Universidade de Washington. A equipe também reconhece o uso do IBM Quantum Services para este projeto.
