Cientistas resolveram um problema de física quântica em um computador comum, algo que antes se acreditava ser possível apenas com computadores quânticos. Os cálculos iniciais foram realizados em um laptop pessoal. Os resultados foram publicados em 21 de maio na revista Science.
Fonte da imagem: Lucy Reading-Ikkanda / Fundação Simons
Físicos do Centro de Física Quântica Computacional (CCQ) do Instituto Flatiron da Fundação Simons e seus colegas da Universidade de Boston simularam um sistema quântico com centenas de qubits interagindo — análogos quânticos dos bits de computadores clássicos — dispostos em redes quadradas, cúbicas ou em forma de diamante. Ao contrário dos bits comuns, que podem assumir os valores 0 ou 1, os qubits podem existir em superposição — em múltiplos estados simultaneamente. Isso torna a simulação de seu comportamento em computadores clássicos extremamente difícil.
Em março de 2025, outro grupo de cientistas publicou um artigo na mesma revista relatando o cálculo da dinâmica de um sistema de qubits particularmente complexo em um computador quântico e declarando que o resultado não poderia ser replicado em máquinas clássicas. “Quando nós, do CCQ, vemos afirmações como essa, sempre ficamos um pouco céticos”, diz Joseph Tindall, pesquisador do CCQ e primeiro autor do novo artigo na Science. “Tipo, vocês já tentaram isso? Ou aquilo?” Segundo Miles Stoudenmire, coautor do estudo, o desafio se tornou uma oportunidade para testar seus próprios desenvolvimentos.
O emaranhamento quântico, um fenômeno no qual os estados dos qubits permanecem interconectados mesmo a grandes distâncias e não podem ser considerados separadamente, representou um desafio particular. De acordo com Tindall, a função de onda que descreve o estado de tal sistema cresce rapidamente com o número de partículas, e seu volume excede rapidamente a capacidade de armazenamento direto de um computador. Trabalhar com tais objetos é típico.Um problema da física quântica, sem cuja solução é impossível prever as propriedades de materiais quânticos, como os supercondutores.
O diagrama mostra como as redes tensoriais comprimem a descrição de qubits emaranhados e permitem que computadores clássicos simulem dinâmicas quânticas complexas.
A equipe do CCQ encontrou uma solução usando redes tensoriais — estruturas de dados matemáticas que comprimem informações da função de onda em uma forma compacta de pequenas tabelas de números interligadas. Tyndall as compara a um “arquivo ZIP para a função de onda”. Ele realizou os cálculos iniciais em um laptop usando código da biblioteca ITensor, desenvolvida no CCQ. Os resultados publicados reproduzem dinâmicas tridimensionais usando uma rede tensorial tridimensional.
De acordo com Tyndall, trabalhar com tais objetos, especialmente em três dimensões, é em grande parte inexplorado: requer algoritmos complexos e código especializado. Para os cálculos iniciais, ele usou o algoritmo de propagação de crença, proposto na década de 1980 e recentemente adaptado para sistemas quânticos. Staudinmire observa que esse método é menos preciso, mas é significativamente mais barato e fácil de executar em problemas complexos, enquanto abordagens mais sofisticadas de anos anteriores sequer conseguiam começar a trabalhar em alguns dos problemas 3D devido ao seu tamanho.
O diagrama explica como os tensores armazenam dados sobre qubits emaranhados em tabelas numéricas e são interligados por índices para transmitir informações entre elementos adjacentes da rede.
Apesar dos recursos computacionais modestos, as simulações alcançaram uma precisão comparável aos melhores resultados do mundo. Os cálculos convergiram para soluções que corresponderam às previsões teóricas. Os dados obtidos coincidiram com os resultados de pesquisadores da computação quântica, mas foram obtidos sem um computador quântico.
Tyndall e Staudinmire enfatizam que as abordagens clássica e quântica não apenas competem, mas também se complementam. Segundo Tyndall, existe uma sinergia significativa entre as simulações clássicas e aquelas que podem ser implementadas em computadores quânticos, e a barreira de entrada para a abordagem clássica é significativamente menor: basta escrever o código e executá-lo em um computador pessoal. A equipe já está trabalhando na próxima etapa: simular sistemas com elétrons capazes de se mover entre sítios da rede cristalina. Essa tarefa é ainda mais complexa e diretamente relacionada à simulação de materiais quânticos.