Algoritmo reduz falhas de computadores quânticos ao processar equações químicas

Um novo estudo publicado na revista científica Nature descreve um algoritmo que reduz os erros estatísticos, ou ruídos, produzidos por bits quânticos (qubits), quando computadores quânticos processam equações químicas.

Desenvolvido pelo professor de química da Universidade de Columbia David Reichman e pelo estudante de pós-doutorado Joonho Lee, o algoritmo usa até 16 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 molécula. “Estes são os maiores cálculos de química quântica que já foram feitos em um dispositivo quântico real”, disse Reichman.

Segundo Lee, que também é pesquisador visitante do Google Quantum AI, a capacidade de calcular com precisão a energia do estado fundamental permitirá que os químicos desenvolvam novos materiais. O algoritmo pode ser usado para projetar materiais para acelerar a fixação de nitrogênio para agricultura e hidrólise para produzir energia limpa, entre outras metas de sustentabilidade.

Cálculo da energia do estado fundamental

Foi utilizado um sistema chamado Monte Carlo quântico, que faz uso de métodos para calcular probabilidades quando há um grande número de variáveis ​​aleatórias e desconhecidas em jogo, como em um jogo de roleta. Nesta pesquisa, os cientistas usaram seu algoritmo para determinar a energia do estado fundamental de três moléculas: heliocídio (H4), usando oito qubits para o cálculo; nitrogênio molecular (N2), usando 12 qubits; e diamante sólido, usando 16 qubits.

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Segundo os pesquisadores, a energia do estado fundamental é influenciada por variáveis ​​como o número de elétrons em uma molécula, a direção na qual eles giram e os caminhos que percorrem ao orbitar um núcleo. Essa energia eletrônica é codificada na equação de Schrõdinger. 

Resolver a equação em um computador clássico torna-se exponencialmente mais difícil à medida que as moléculas aumentam, embora os métodos para estimar a solução tenham tornado o processo mais fácil. Como os computadores quânticos podem contornar o problema de escala exponencial tem sido uma questão em aberto no campo.

Em princípio, os computadores quânticos devem ser capazes de lidar com cálculos exponencialmente maiores e mais complexos, como os necessários para resolver a equação de Schrödinger, porque os qubits que os compõem aproveitam os estados quânticos. 

Ao contrário dos dígitos binários, ou bits, compostos de uns e zeros, os qubits podem existir em dois estados simultaneamente. Os qubits, no entanto, são frágeis e propensos a erros: quanto mais qubits usados, menos precisa será a resposta final. 

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Algoritmo híbrido aproveita as tecnologias de computadores quânticos e clássicos combinadas

O algoritmo de Lee aproveita o poder combinado dos computadores clássicos e quânticos para resolver equações químicas com mais eficiência, minimizando os erros do computador quântico. “É o melhor dos dois mundos”, disse Lee. “Aproveitamos ferramentas que já tínhamos, bem como ferramentas consideradas de última geração na ciência da informação quântica para refinar a química computacional quântica”.

Um computador clássico pode lidar com a maior parte da simulação quântica de Monte Carlo proposta por Lee. Sycamore salta para o último e mais complexo passo computacionalmente: o cálculo 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 quântico – e uma função de onda de amostra, que faz parte do processo estatístico 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 estatística do cálculo.

Registros anteriores para resolver a energia do estado fundamental usavam 12 qubits e um método chamado de autossolucionador quântico variacional (VQE). No entanto, o VQE ignorou os efeitos da interação dos elétrons, uma variável importante no cálculo da energia do estado fundamental que o algoritmo quântico de Monte Carlo de Lee agora inclui. “A adição de técnicas de correlação virtual de computadores clássicos pode ajudar os químicos a lidar com moléculas ainda maiores”, disse Lee.

Os cálculos híbridos clássico-quânticos neste novo trabalho foram considerados tão precisos quanto alguns dos melhores métodos clássicos. Isso sugere que os problemas podem ser resolvidos com mais precisão e/ou rapidez com um computador quântico do que sem – um marco importante para a computação quântica. 

Lee e seus colegas continuarão a ajustar seu algoritmo para torná-lo mais eficiente, enquanto engenheiros trabalham para construir um hardware quântico melhor. “A viabilidade de resolver problemas químicos maiores e mais desafiadores só aumentará com o tempo”, disse Lee. “Isso nos dá esperança de que as tecnologias quânticas que estão sendo desenvolvidas sejam praticamente úteis”.

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