É tão complexo quanto parece. Para entender esses sistemas de mudar a mente e suas incontáveis configurações, os físicos geralmente recorrem a supercomputadores poderosos ou inteligência artificial para ajudar.

Mas e se muitos desses mesmos problemas pudessem ser resolvidos por um laptop comum?

Cientistas acreditam há muito tempo que isso era teoricamente possível, mas conseguir isso provou ser muito mais difícil.

Pesquisadores da Universidade de Buffalo deram agora um grande passo à frente. Eles ampliaram uma técnica computacional de baixo custo conhecida como aproximação de Wigner truncada (TWA), um tipo de atalho em física que simplifica a matemática quântica, para que possa lidar com sistemas anteriormente considerados que exigiriam poder computacional enorme.

Igualmente significativo, sua abordagem – descrita em um estudo publicado em setembro na PRX Quantum, um periódico da American Physical Society – oferece uma estrutura TWA prática e fácil de usar que permite que pesquisadores insiram seus dados e obtenham resultados significativos em algumas horas.

“Nossa abordagem oferece um custo computacional significativamente menor 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 pode, em um futuro próximo, se tornar a ferramenta principal para explorar esses tipos de dinâmicas quânticas em computadores de consumo.”

Marino, que se juntou à UB neste outono, começou este trabalho enquanto estava na Universidade Johannes Gutenberg Mainz na Alemanha. Seus coautores incluem dois de seus antigos alunos lá, Hossein Hosseinabadi e Oksana Chelpanova, a última agora sendo pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Marino na UB.

A pesquisa recebeu apoio da National Science Foundation, da German Research Foundation e da União Europeia.

Adotando uma abordagem semiclasica

Nem todo sistema quântico pode ser resolvido exatamente. Fazer isso seria impraticável, já que o poder computacional necessário cresce exponencialmente à medida que o sistema se torna mais complexo.

Em vez disso, os físicos frequentemente recorrem ao que é conhecido como física semiclassica – uma abordagem de ponto intermediário que mantém apenas 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 data da década de 1970, mas é limitada a sistemas quânticos isolados e idealizados onde nenhuma energia é ganha ou perdida.

Assim, a equipe de Marino expandiu a TWA para os sistemas mais complicados que encontramos no mundo real, onde partículas são constantemente empurradas e puxadas por forças externas e perdem energia para seus arredores, o que é conhecido como dinâmica de spin dissipativa.

“Muitas grupos tentaram fazer isso antes de nós. É sabido que certos sistemas quânticos complicados poderiam ser resolvidos de forma eficiente com uma abordagem semiclassica,” diz Marino. “No entanto, o verdadeiro desafio tem sido torná-lo acessível e fácil de fazer.”

Facilitando a dinâmica quântica

No passado, pesquisadores que procuravam usar a TWA enfrentavam um muro 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 esse método em um dia, e em cerca de três dias, eles já estão resolvendo alguns dos problemas mais complexos que apresentamos no estudo,” diz Chelpanova.

Economizando supercomputadores para os grandes problemas

A esperança é que o novo método reserve clusters de supercomputação e modelos de IA para os sistemas quânticos verdadeiramente complicados. Esses 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 existem átomos no universo.

“Muito do que parece complicado não é de fato 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.”