Computador quântico simula a dinâmica de moléculas com alta precisão

Computadores quânticos são dispositivos que exploram os princípios da mecânica quântica — como superposição e emaranhamento — para realizar cálculos de forma extremamente eficiente. Diferente dos bits tradicionais, que armazenam informações como 0 ou 1, os qubits podem assumir uma combinação desses estados, permitindo um poder computacional muito superior.

Um dos grandes desafios da ciência computacional atual é simular o comportamento e as propriedades de moléculas, uma tarefa complexa para os computadores clássicos.

Isso se deve à natureza quântica desses sistemas, que envolve um grande número de interações simultâneas e interdependentes, algo difícil de modelar com eficiência por métodos tradicionais. Já os computadores quânticos, por operarem segundo os mesmos princípios da realidade microscópica, são ideais para esse tipo de simulação.

Um estudo recente apresentou um algoritmo quântico desenvolvido especificamente para simular a evolução de moléculas ao longo do tempo. Utilizando os recursos únicos dos computadores quânticos, o algoritmo foi capaz de modelar interações eletrônicas e dinâmicas moleculares de forma precisa, evidenciando a importância dessas tecnologias para estudar fenômenos do mundo microscópico.

Simulando moléculas reais com qubits e modos vibracionais

Pesquisadores utilizaram um computador quântico baseado em íons aprisionados — átomos manipulados por campos eletromagnéticos em ambiente de vácuo — para realizar a simulação de moléculas reais. Além dos qubits, a equipe empregou os chamados “modos bosônicos”, que representam vibrações atômicas. Essa abordagem híbrida, conhecida como simulação qudit-bôson, permite realizar simulações complexas com um número reduzido de qubits.

Três moléculas foram utilizadas como exemplo: aleno, butatrieno e pirazina. Todas elas apresentam interações eletrônicas e vibracionais ao absorverem luz. Para estudar esses fenômenos, os cientistas desaceleraram o processo usando um único átomo e feixes de laser, conseguindo reduzir a escala de tempo em um fator de 100 bilhões. Assim, interações que normalmente ocorrem em femtossegundos puderam ser observadas em milissegundos.

Um salto em eficiência computacional

Os resultados mostraram que, mesmo com um computador quântico modesto e poucos qubits, é possível simular o comportamento molecular com grande precisão. Em contraste, realizar as mesmas simulações usando apenas qubits — sem os modos bosônicos — exigiria 11 qubits e cerca de 300 mil operações de emaranhamento, todas sem erros, algo ainda inalcançável com a tecnologia atual.

A nova abordagem revelou-se aproximadamente um milhão de vezes mais eficiente do que os métodos quânticos convencionais em termos de uso de recursos. Os pesquisadores também testaram a robustez do algoritmo em condições realistas, introduzindo ruído ambiental, e os resultados permaneceram estáveis.

Fonte: tempo.com