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 estabelecer o estado quântico inicial que uma simulação precisa. Neste trabalho, os 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 pequenos sistemas usando computadores clássicos. Uma vez que esses designs estavam conhecidos, 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 a porta para simulações que antes estavam 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 as futuras simulações quânticas baseadas nesses circuitos superem o que a computação clássica pode alcançar.

Essas simulações podem esclarecer grandes questões em aberto na física, incluindo o desequilíbrio entre matéria e antimateria, 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.

Os físicos nucleares utilizaram os computadores quânticos da IBM para realizar a maior simulação quântica digital já completada. Seu sucesso se deve, em parte, à identificação de padrões em sistemas físicos, incluindo simetrias e diferenças nas escalas de comprimento, que os ajudaram 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.

Avanço de Modelos Pequenos para Sistemas Quânticos em Grande Escala

A equipe validou seus componentes de circuito testando-os primeiro em pequenos sistemas com ferramentas de computação clássica, confirmando que os estados resultantes poderiam ser sistematicamente melhorados. Em seguida, expandiram os circuitos para lidar com mais de 100 qubits e executaram-nos nos dispositivos quânticos da IBM. Usando os dados dessas simulações, os cientistas extrairam propriedades do vácuo com precisão a nível percentual.

Eles também utilizaram os circuitos para gerar pulsos de hádrons e simular como esses pulsos evoluíram ao longo do tempo para rastrear sua propagação. Esses avanços apontam para um futuro em que os computadores quânticos poderão realizar simulações dinâmicas completas da matéria sob condições extremas, que estão bem além do alcance das máquinas clássicas.

Esta pesquisa recebeu apoio do Departamento de Energia (DOE), Escritório de Ciência, Escritório de Física Nuclear, InQubator para Simulação Quântica (IQuS) através da Iniciativa Quantum Horizons: QIS Research and Innovation for Nuclear Science, e o Centro de Ciência Quântica (QSC), um Centro de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica Nacional do DOE e da Universidade de Washington. Recursos computacionais adicionais foram fornecidos pelo Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação de usuários do Escritório de Ciência do DOE, e pelo sistema supercomputador Hyak na Universidade de Washington. A equipe também agradece o uso dos serviços quânticos da IBM para este projeto.