Computadores quânticos, que processam informações utilizando efeitos da mecânica quântica, têm o potencial de superar os computadores clássicos em algumas tarefas de otimização e computação. Além disso, podem ser usados para simular sistemas quânticos complexos que não podem ser simulados por computadores clássicos.

Pesquisadores do Quantinuum e de outros institutos na Europa e nos Estados Unidos recentemente começaram a simular a dinâmica digitalizada do modelo quântico de Ising, uma estrutura que descreve o magnetismo quântico em materiais, usando um computador quântico avançado.

Suas simulações, descritas em um artigo no servidor de pré-impressão arXiv , levaram à observação de um estado transitório conhecido como pré-termalização de Floquet, no qual os sistemas parecem localmente estáveis antes de se aproximarem do equilíbrio total, em regimes inacessíveis aos computadores clássicos.

"Simular a evolução contínua do tempo em computadores quânticos digitais tem sido um objetivo de longa data no campo da computação quântica, portanto, certamente não somos os primeiros ou únicos a querer fazer isso", disse Michael Foss-Feig, pesquisador da Quantinuum e principal autor do artigo.

"No entanto, atingir isso em uma escala que rivaliza ou excede os melhores métodos clássicos é muito mais desafiador do que alcançar vantagem quântica em cenários mais artificiais, como amostragem de circuito aleatório, o que ainda não havia sido alcançado."

No ano passado, Foss-Feig e seus colegas da Quantinuum utilizaram com sucesso um computador quântico que desenvolveram para realizar tarefas de amostragem de circuitos aleatórios que não poderiam ser realizadas por computadores clássicos, com fidelidades sem precedentes. Essa conquista os inspirou a explorar o potencial dos computadores quânticos para resolver uma gama mais ampla de problemas.

Como parte de seu estudo recente, os pesquisadores utilizaram o H2, um computador quântico desenvolvido na Quantinuum, para simular a dinâmica do modelo quântico de Ising. O modelo quântico de Ising é um modelo padrão usado para estudar magnetismo, transições de fase quânticas e física emergente em sistemas complexos.

"Em sistemas reais, o tempo passa suavemente, e simular dinâmicas realistas em um computador quântico digital requer 'discretizar' essa evolução temporal suave no conjunto de portas quânticas disponíveis", disse Foss-Feig. "A discretização nunca é perfeita, mas a fizemos bem o suficiente para observar muitas das características marcantes dos sistemas físicos reais."

"Em particular, a suavidade do tempo é, em última análise, responsável pela conservação de energia em sistemas reais, o que faz com que eles relaxem naturalmente até um estado de equilíbrio após serem empurrados para muito fora do equilíbrio."

As simulações realizadas por Foss-Feig e seus colegas reproduzem digitalmente a dinâmica do tempo contínuo, mostrando assim como os sistemas quânticos evoluem ao longo do tempo. Em suas simulações, os pesquisadores observaram assinaturas características desses sistemas quando se aproximam de um estado de equilíbrio, como o surgimento de um transporte hidrodinâmico de energia.

"A conquista mais importante deste trabalho é que fomos capazes de manter essa evolução temporal contínua relativamente livre de ruído (e, portanto, precisa) em escalas de tempo nas quais até mesmo os melhores métodos de simulação clássicos parecem realmente ter dificuldades", disse Reza Haghshenas, pesquisador da Quantinuum que lidera os esforços de benchmarking clássico.

Digo 'lutar' e não 'fracassar' porque acreditamos que, com recursos clássicos substanciais (ou seja, executando os melhores algoritmos clássicos com recursos em escala de supercomputador), pode ser possível realizar simulações classicamente com precisão comparável. No entanto, também acreditamos que isso só seja possível devido ao número limitado de qubits (56) que usamos nessas simulações.

Este estudo recente de Foss-Feig e seus colegas demonstra o potencial dos computadores quânticos para a simulação realista de sistemas quânticos complexos, que são difíceis ou impossíveis de simular usando computadores clássicos. Os pesquisadores agora estão trabalhando para aprimorar e aprimorar ainda mais os computadores quânticos, o que pode aumentar ainda mais sua capacidade de simular sistemas quânticos.

Seus trabalhos recentes mostram que as atuais fidelidades de porta do computador quântico H2 já são altas o suficiente para simular sistemas físicos em regimes de difícil acesso usando computadores clássicos. Futuros computadores quânticos baseados em números ainda maiores de qubits poderiam simular sistemas ainda maiores e mais complexos , o que, por sua vez, poderia aprimorar a compreensão de sua física subjacente.

"Aumentos moderados nos tamanhos dos sistemas (números de qubits) devem permitir simulações que estão definitivamente fora do alcance dos métodos clássicos atuais, e estamos muito ansiosos para lançar nosso próximo sistema, Helios, com 96 qubits", acrescentou Foss-Feig.

"Vemos isso como um momento incrivelmente empolgante. Muitas tecnologias importantes surgiram da nossa capacidade (limitada) de simular sistemas quânticos de forma clássica , e os avanços nos métodos de simulação podem ter amplos impactos: os computadores quânticos poderão em breve ser capazes de validar e ampliar simulações clássicas em cenários onde os métodos clássicos são inviáveis ou não confiáveis."