Os computadores qua¢nticos estãoficando maiores, mas ainda hápoucas maneiras prática s de aproveitar seu poder computacional extra. Para superar esse obsta¡culo, os pesquisadores estãoprojetando algoritmos para facilitar a transição dos computadores cla¡ssicos para os qua¢nticos. Em um novo estudo na Nature, os pesquisadores revelam um algoritmo que reduz os erros estata­sticos, ou rua­do, produzidos por bits qua¢nticos, ou qubits, ao processar equações químicas.

Desenvolvido pelo professor de química da Columbia David Reichman e pelo pa³s-doutorado Joonho Lee com pesquisadores do Google Quantum AI, o algoritmo usa até16 qubits no Sycamore, o computador de 53 qubits do Google , para calcular a energia do estado fundamental, o estado de energia mais baixo de uma molanãcula. "Estes são os maiores ca¡lculos de química qua¢ntica que já foram feitos em um dispositivo qua¢ntico real", disse Reichman.

A capacidade de calcular com precisão a energia do estado fundamental permitira¡ que os químicos desenvolvam novos materiais, disse Lee, que também épesquisador visitante do Google Quantum AI. O algoritmo pode ser usado para projetar materiais para acelerar a fixação de nitrogaªnio para agricultura e hidra³lise para produzir energia limpa , entre outras metas de sustentabilidade, disse ele.

O algoritmo usa um Monte Carlo qua¢ntico, um sistema de manãtodos para calcular probabilidades quando háum grande número de varia¡veis ​​aleata³rias e desconhecidas em jogo, como em um jogo de roleta. Aqui, os pesquisadores usaram seu algoritmo para determinar a energia do estado fundamental de três molanãculas: helioca­dio (H4), usando oito qubits para o ca¡lculo; nitrogaªnio molecular (N 2 ), usando 12 qubits; e diamante sãolido, usando 16 qubits.

A energia do estado fundamental éinfluenciada por varia¡veis ​​como o número de elanãtrons em uma molanãcula, a direção na qual eles giram e os caminhos que percorrem ao orbitar um núcleo. Essa energia eletra´nica écodificada na equação de Schraµdinger. Resolver a equação em um computador cla¡ssico torna-se exponencialmente mais difa­cil a  medida que as moléculas aumentam, embora os manãtodos para estimar a solução tenham tornado o processo mais fa¡cil. Como os computadores qua¢nticos podem contornar o problema de escala exponencial tem sido uma questãoem aberto no campo.

Em princa­pio, os computadores qua¢nticos devem ser capazes de lidar com ca¡lculos exponencialmente maiores e mais complexos, como os necessa¡rios para resolver a equação de Schraµdinger, porque os qubits que os compõem aproveitam os estados qua¢nticos. Ao contra¡rio dos da­gitos binários, ou bits, compostos de uns e zeros, os qubits podem existir em dois estados simultaneamente. Os qubits, no entanto, são fra¡geis e propensos a erros: quanto mais qubits usados, menos precisa seráa resposta final. O algoritmo de Lee aproveita o poder combinado dos computadores cla¡ssicos e qua¢nticos para resolver equações químicas com mais eficiência, minimizando os erros do computador qua¢ntico.

"a‰ o melhor dos dois mundos", disse Lee. “Aproveitamos ferramentas que já ta­nhamos, bem como ferramentas consideradas de última geração na ciência da informação qua¢ntica para refinar a química computacional qua¢ntica”.

Um computador cla¡ssico pode lidar com a maior parte da simulação qua¢ntica de Monte Carlo de Lee. Sycamore salta para o último e mais complexo passo computacionalmente: o ca¡lculo da sobreposição entre uma função de onda de teste - um palpite na descrição matemática da energia do estado fundamental que pode ser implementada pelo computador qua¢ntico - e uma função de onda de amostra, que faz parte do processo estata­stico de Monte Carlo. Essa sobreposição fornece um conjunto de restrições, conhecido como condição de contorno, para a amostragem de Monte Carlo, que garante a eficiência estata­stica do ca¡lculo (para mais detalhes sobre a matemática, veja o webinar de Lee ).

O registro anterior para resolver a energia do estado fundamental usava 12 qubits e um manãtodo chamado de autosolver qua¢ntico variacional, ou VQE. Mas o VQE ignorou os efeitos da interação dos elanãtrons, uma varia¡vel importante no ca¡lculo da energia do estado fundamental que o algoritmo qua¢ntico de Monte Carlo de Lee agora inclui. A adição de técnicas de correlação virtual de computadores cla¡ssicos pode ajudar os químicos a lidar com moléculas ainda maiores, disse Lee.

Os ca¡lculos ha­bridos cla¡ssico-qua¢nticos neste novo trabalho foram considerados tão precisos quanto alguns dos melhores manãtodos cla¡ssicos. Isso sugere que os problemas podem ser resolvidos com mais precisão e/ou rapidez com um computador qua¢ntico do que sem osum marco importante para a computação qua¢ntica. Lee e seus colegas continuara£o a ajustar seu algoritmo para torna¡-lo mais eficiente, enquanto os engenheiros trabalham para construir um hardware qua¢ntico melhor.

"A viabilidade de resolver problemas químicos maiores e mais desafiadores são aumentara¡ com o tempo", disse Lee. “Isso nos da¡ esperana§a de que as tecnologias qua¢nticas que estãosendo desenvolvidas sejam praticamente aºteis”.