Simulação e Computação Quântica


 A simulação de modelos do mundo físico - isto é, o uso de um dispositivo físico para nos dizer sobre outro sistema físico real - é fundamental para o avanço do conhecimento científico e o desenvolvimento de tecnologias. Infelizmente, em geral, realizar tais simulações por meio de nossos computadores clássicos mais modernos não é uma tarefa fácil. Por outro lado, o uso de dispositivos quânticos - simuladores quânticos - nos fornecem uma alternativa eficiente e excitante para tais simulações. Conforme dito por Richard Feynman em suas memorável aula ( Simulating Physics with Computers-1982): "A natureza não é clássica, caramba, e se você quiser fazer uma simulação da natureza, é melhor torná-la mecânica quântica, e caramba, é um problema maravilhoso, porque não parece tão fácil." 


Muito progresso tem sido alcançado recentemente na manipulação e detecção de sistemas quânticos isolados. Desta forma, implementações físicas de simuladores quânticos estão se tornando uma realidade, com diversas plataformas extremamente promissoras, incluindo sistemas de átomos quânticos ultrafrios, íons presos, circuitos supercondutores, dentre outros.  A simulação quântica é um campo de pesquisa ainda jovem mas em crescimento, com diversas questões interessantes a ser desvendadas. 


Uma forma alternativa de simularmos a mecânica quântica, além dos simuladores quânticos (em desenvolvimento) e de computadores clássicos (em geral ineficientes), é utilizando computadores quânticos! A Teoria da Computação e Informação Quântica surge de uma combinação interdisciplinar extremamente proveitosa entre física quântica, ciência da informação e computação, propondo inovações tecnológicas sem precedentes, tal como na construção de computadores quânticos. Computadores quânticos têm o potencial de resolver de forma eficaz problemas considerados intratáveis, como a quebra de métodos criptográficos utilizados rotineiramente. Apesar dos grandes desafios impostos na construção de um computador quântico robusto e escalável, vemos recentemente enormes avanços em seu desenvolvimento e a rápida aproximação de uma nova era para a computação. Computadores quânticos de média escala (~50 qubits), mesmo com certas imperfeições em seus processadores, já se encontram em funcionamento em grandes centros de pesquisa, e em certos casos disponíveis para o uso do público em geral (por exemplo, “IBM-Quantum Experience” fornecendo uma plataforma de acesso remoto que permite aos usuários construir circuitos quânticos e executar algoritmos experimentais em seus chips quânticos compostos por alguns qubits (~ 5 qubits)). Uma nova era para a computação se aproxima, com diversas assuntos extremamente excitantes a serem desenvolvidos e aplicados em tecnologias emergentes!

Figura: (esquerda superior) Simulação de qudits multidimensionais usando Condensados de Bose-Eisntein com átomos ultrafrios em redes óticas. (esquerda inferior) Manipulação de qudits formados por estados de "quantum Hall liquids" a partir de seus fluxos de quanta. (direita superior) Protocolo de teletransporte de um modo único fermiônico restrito pelas regras de superseleção (SSR) - a informação quântica codificada no modo A é teletransportada para o modo B compartilhando um estado de dois modos maximamente emaranhado e comunicando dois bits de informação clássica. (direita inferior) Circuito quântico para o protocolo de ativação de emaranhamento em um sistema composto de partículas fermiônicas/bosônicas indistinguíveis.

Referências selecionadas: