Computador quântico simula como moléculas se comportam e evoluem

Computadores quânticos são máquinas que utilizam os princípios da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento, para realizar cálculos. Diferentemente dos bits, que armazenam informações como 0 ou 1, os qubits podem existir em uma combinação desses dois estados. Isso permite que um computador quântico represente e manipule informações de forma muito mais rápida.

Simular o comportamento e propriedades de moléculas é um desafio atual para computadores clássicos. Isso porque esse problema trata do mundo quântico onde computadores clássicos não conseguem trabalhar com eficiência. Devido ao grande número de interações quânticas envolvidas nessas simulações, um computador clássico demora muito tempo para simular. Já computadores quânticos, por outro lado, são naturalmente adequados para essa tarefa.

Um novo artigo científico introduziu um algoritmo quântico que foi projetado especificamente para simular o comportamento e a evolução de moléculas. Este algoritmo usa as propriedades dos computadores quânticos e os fenômenos da Mecânica Quântica para simular as interações eletrônicas e dinâmicas moleculares. A pesquisa demonstra como computadores quânticos são necessários para simular o mundo do micro de forma eficiente e real.

Computadores Quânticos

Computadores quânticos funcionam através de fenômenos da Mecânica Quântica usando unidades de processamento chamadas qubits. Um qubit pode estar em uma sobreposição de estados entre 0 e 1. Isso aumenta a quantidade de possibilidades e as formas de armazenar e processar informações. Além disso, dois ou mais qubits pode estar entrelaçados fazendo com que estrado de um afete instantaneamente o estado do outro.

Essa capacidade dos computadores quânticos é única em comparação aos computadores clássicos. Eles podem resolver problemas complexos que são intratáveis para os computadores clássicos mais avançados, como a fatoração de números grandes, a simulação de sistemas quântico e a otimização de problemas complexos. Apesar de estar na fase de desenvolvimento, a computação quântica terá um impacto em diferentes áreas desde a criptografia até à Medicina.

Mudança de nível de energia

Quando um átomo ou molécula absorve luz, um fóton com energia específica interage com um elétron. Isso faz com que o elétron absorva a energia do fóton e vá para um nível de energia mais alto, um estado chamado de estado excitado. A energia do fóton absorvido corresponde exatamente à diferença de energia entre o nível inicial e o nível final do elétron. Cada átomo ou molécula absorve luz em comprimentos de onda específicos, criando um espectro de absorção dependendo do átomo presente.

Após a excitação, o elétron tende a retornar ao seu estado de energia original, liberando o excesso de energia na forma de um fóton de luz. A energia do fóton reemitido também é igual à diferença de energia entre os níveis. Isso formando o que chamamos de espectro de emissão do átomo ou molécula. Estudar esse espectro ajuda a identificar quais elementos estão presentes em uma amostra.

Simulando moléculas reais

Um grupo de pesquisadores usaram um computador quântico com íons aprisionados para simular o comportamento de moléculas. O equipamento podia manipular átomos individuais através de campos eletromagnéticos em um vácuo. Allém dos qubits, o grupo também usou as medidas de vibrações dos átomos chamadas "modos bosônicos". Essa técnica, denominada simulação híbrida qudit-bôson, reduz a quantidade de qubits para fazer a simulação.

A pesquisa usou três moléculas para fazer a simulação chamadas de aleno, butatrieno e pirazina. Cada uma dessas moléculas apresenta interações eletrônicas e vibracionais após a absorção de luz. Durante o experimento, o grupo utilizou apenas um átomo e laser para desacelerar o processo em um fator de 100 bilhões. Interações que ocorrem em femtossegundos no mundo real foram simuladas em milissegundos.

O avanço em simulações

Ao conseguir simular o comportamento dessas moléculas como a evolução delas no tempo. O grupo conseguiu mostrar que mesmo com um computador quântico menor e com menos qubits é possível realizar com acurácia a simulação. Como comparação, realizar a mesma simulação com um computador quântico, sem uso de modos bosônicos, exigiria 11 qubits e aproximadamente 300 mil operações de entrelaçamento sem erros.

Essa combinação de 11 qubits e 300 mil operações de entrelaçamento sem erros excede consideravelmente a tecnologia atual. Além disso, o grupo estimou que o método seja cerca de um milhão de vezes mais eficiente em termos de recursos do que as abordagens quânticas convencionais. Além disso, eles também testaram o modelo com a introdução de ruído do ambiente.

Referência da notícia

Experimental Quantum Simulation of Chemical Dynamics. 14 de maio, 2025. Nvickas, et al.