Os físicos usaram um computador simples, matemática avançada e software especializado para resolver um difícil problema de física quântica que foi descrito como fora do alcance das máquinas clássicas.
O trabalho foi realizado por pesquisadores do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Flatiron Institute da Fundação Simmons, juntamente com colaboradores da Universidade de Boston. O método deles se mostrou eficiente o suficiente para que alguns cálculos fossem executados em laptops pessoais.
Ao extrair mais poder computacional do hardware convencional, o método poderia expandir a gama de problemas de dinâmica quântica que os cientistas podem estudar. Também pode oferecer uma técnica útil para problemas de otimização onde os pesquisadores devem identificar a melhor resposta entre muitas soluções possíveis.
Os resultados foram publicados na revista ciência.
Simulando centenas de qubits interagindo
O desafio envolveu modelar centenas de “qubits” interativos, que são contrapartes quânticas dos bits usados pelos computadores tradicionais. Os qubits foram organizados em redes quadradas, cúbicas ou em forma de diamante.
Um bit convencional armazena 0 ou 1. Um qubit, entretanto, pode existir em uma superposição de vários estados. Esta propriedade confere aos sistemas quânticos capacidades incomuns, mas também torna seu comportamento extremamente difícil de reproduzir em um computador clássico.
Um artigo de março de 2025, também publicado ciênciaOutra equipe de pesquisa relatou o uso de um computador quântico para calcular a dinâmica de um sistema qubit particularmente complexo. Esse grupo argumentou que um computador clássico não poderia igualar a conquista.
“Sempre que vemos uma afirmação como esta (no CCQ), ficamos um pouco céticos”, disse Joseph Tyndall, pesquisador associado do CCQ e primeiro autor do novo artigo da Science. “Tipo, ‘Você já experimentou? Você já experimentou?'”
Para os investigadores do CCQ, a afirmação ofereceu uma forma convincente de testar os limites das suas próprias técnicas.
O coautor do estudo e cientista pesquisador do CCQ, Miles Studenmire, disse que o problema serviu como uma oportunidade para levar seu equipamento “para um test drive”. “Poderíamos ter escolhido mais alguns alvos arbitrários”, disse Studenmaier. “Mas foi ‘Por que não escolher aquele com maior reivindicação?'”
O desafio do emaranhamento quântico
O maior obstáculo foi o emaranhado quântico. Quando os qubits estão emaranhados, suas propriedades estão conectadas, mesmo quando os qubits estão separados por grandes distâncias. Como resultado, os pesquisadores não podem modelar cada qubit de forma independente.
Em vez disso, são necessários algoritmos sofisticados para descrever todo o sistema.
“Quando você tem muitas partículas que interagem pela física quântica, você tem essa função de onda que descreve o estado do sistema”, disse Tyndall. “É este objeto massivo que fica cada vez maior quanto mais partículas tem.”
A função de onda contém a informação necessária para descrever um sistema quântico, mas o seu tamanho cresce exponencialmente à medida que mais partículas são adicionadas.
À medida que o tamanho da função de onda cresce exponencialmente, “não consigo salvá-la diretamente no meu computador”, diz ele. Lidar com essas funções de onda massivas é um problema recorrente na física quântica. No entanto, estes cálculos são essenciais para prever o comportamento dos materiais quânticos, incluindo os supercondutores.
Colapsando um enorme sistema quântico
Os pesquisadores superaram esse obstáculo desenvolvendo e implementando novas ferramentas baseadas em redes tensores. Essas estruturas matemáticas comprimem as informações contidas em uma função de onda para que possam ser tratadas com mais eficiência.
Tindall o compara a “um arquivo ZIP para funções de onda onde você pega todas essas informações e as compacta nessa estrutura de dados matemáticos cheia dessas pequenas tabelas de números interconectadas entre si”.
Essa compressão tornou as simulações gerenciáveis em computadores clássicos. Tyndall realizou muitos dos primeiros cálculos em um laptop usando ITensor, uma biblioteca de software de rede tensora de alto desempenho desenvolvida em CCQ.
As novas simulações também demonstram como a equipe do iTensor está adaptando as técnicas do Tensor para novos tipos de problemas. Neste caso, os pesquisadores modelaram a dinâmica quântica tridimensional com uma rede de tensores 3D.
“É uma compressão muito poderosa que pode ser muito eficaz, mas é um objeto matemático bastante complexo”, disse Tyndall. “É realmente uma coisa de fronteira, porque trabalhar com esses objetos – especialmente em três dimensões – é muito pouco convencional. Você precisa de códigos e algoritmos sofisticados para lidar com eles; isso é um desafio de engenharia de software em si.”
Um algoritmo antigo encontra um novo uso
Muitas simulações requerem apenas recursos computacionais relativamente modestos. Para os cálculos iniciais, Tyndall usou a propagação de crenças, um algoritmo desenvolvido na década de 1980 que os pesquisadores adaptaram recentemente para sistemas quânticos.
“É um pouco mais aproximado do que alguns dos outros métodos, mas é muito mais barato e podemos executá-lo diretamente em problemas muito mais difíceis”, disse Studenmaier.
Ele contrasta “os métodos mais sofisticados do passado em nossa área” que “nem seriam capazes de resolver alguns desses problemas tridimensionais, porque eles são muito grandes”.
Embora o hardware fosse modesto, os resultados alcançaram níveis de precisão de última geração. As simulações produziram soluções consistentes com as previsões teóricas e tiveram um bom desempenho em pequenos problemas onde as respostas corretas podiam ser verificadas.
Mais importante ainda, os resultados concordam com aqueles obtidos anteriormente com um computador quântico. A diferença é que os novos cálculos não exigiram hardware quântico.
A computação clássica e quântica podem trabalhar juntas
Os resultados contribuem para o debate sobre onde termina a computação clássica e começam as instalações quânticas. Contudo, Tyndall e Studenmire enfatizam que os dois campos não estão simplesmente competindo entre si.
Simulações clássicas podem ajudar os pesquisadores a entender do que os computadores quânticos são capazes, enquanto os avanços no hardware quântico podem inspirar novos métodos clássicos.
“A coisa boa sobre o debate entre computação clássica versus computação quântica é que há muita sinergia entre os tipos de simulações nas quais estamos interessados e os códigos que escrevemos e o que pode ser realizado nesses computadores quânticos”, disse Tyndall. “Isso pode ajudar a nos orientar, e também pode ajudar a orientar os pesquisadores de computação quântica, porque, obviamente, a barreira de entrada para simularmos algumas coisas é muito mais fácil para eles, porque não precisamos construir um computador quântico. Posso apenas escrever algum código e clicar em ‘executar’ no meu computador pessoal.”
O próximo desafio de simulação quântica
Os pesquisadores estão agora desenvolvendo métodos que vão além dos sistemas feitos apenas de qubits. Seu próximo objetivo é modelar elétrons que podem ser transferidos entre diferentes locais.
Esses sistemas são significativamente mais difíceis de simular, mas são diretamente relevantes para a compreensão de materiais quânticos reais.
“São problemas realmente, quantitativamente, muito mais difíceis”, disse Studenmyer. “Então essa é uma das nossas próximas grandes barreiras que queremos limpar.”
