Cientistas utilizaram um recozedor quântico para simular materiais quânticos de forma eficaz, marcando um desenvolvimento crucial na aplicação da computação quântica na ciência dos materiais e melhorando o desempenho dos dispositivos de memória quântica.

Os físicos há muito tempo vêm buscando a ideia de simular partículas quânticas com um computador que é composto de partículas quânticas. Foi exatamente isso que cientistas do Forschungszentrum Jülich fizeram junto com colegas da Eslovênia. Eles usaram um recozimento quântico para modelar um material quântico da vida real e mostraram que o recozimento quântico pode espelhar diretamente as interações microscópicas de elétrons no material. O resultado é um avanço significativo no campo, mostrando a aplicabilidade prática da computação quântica na resolução de problemas complexos de ciência de materiais. Além disso, os pesquisadores descobriram fatores que podem melhorar a durabilidade e a eficiência energética de dispositivos de memória quântica.

O legado de Richard Feynman na computação quântica

No início dos anos 1980, Richard Feynman perguntou se era possível modelar a natureza com precisão usando um computador clássico. Sua resposta foi: Não. O mundo consiste em partículas fundamentais, descritas pelos princípios da física quântica. O crescimento exponencial das variáveis ​​que devem ser incluídas nos cálculos leva até os supercomputadores mais poderosos aos seus limites. Em vez disso, Feynman sugeriu usar um computador que fosse feito de partículas quânticas. Com sua visão, Feynman é considerado por muitos o Pai da computação quântica.

Cientistas do Forschungszentrum Jülich na Alemanha, juntamente com colegas de instituições eslovenas, mostraram agora que essa visão pode realmente ser colocada em prática. A aplicação que eles estão analisando é um chamado sistema de muitos corpos. Tais sistemas descrevem o comportamento de um grande número de partículas que interagem entre si. No contexto da física quântica, eles ajudam a explicar fenômenos como supercondutividade ou transições de fase quântica no zero absoluto . A uma temperatura de 0 Kelvin, em vez de flutuações térmicas, apenas flutuações quânticas ocorrem quando um parâmetro físico como o campo magnético muda.

Desafios e técnicas em pesquisa de materiais quânticos

“Um desafio na pesquisa de materiais quânticos é medir e modelar quantitativamente as transições de fase de sistemas de muitos corpos”, explica Dragan Mihailović do Instituto Jožef Stefan na Eslovênia. Neste estudo, os cientistas investigaram o material quântico 1T-TaS₂que é usado em uma ampla gama de aplicações, incluindo eletrônicos supercondutores e dispositivos de armazenamento com eficiência energética.

Jaka Vodeb, do Jülich Supercomputing Center, descreve a abordagem: “Colocamos o sistema em um estado de não equilíbrio e observamos como os elétrons na rede de estado sólido se reorganizam após uma transição de fase de não equilíbrio, tanto experimentalmente quanto por meio de simulações. ”

Todos os cálculos foram realizados utilizando o recozimento quântico da empresa D-Wave, que está integrado na Infraestrutura Unificada de Jülich para Computação Quântica, JUNIQ.

Avançando na tecnologia quântica e na eficiência

Os pesquisadores puderam modelar com sucesso o crossover de dinâmicas dominadas por flutuação quântica ruidosa e conduzidas por temperatura. Além disso, os cientistas demonstraram que as interconexões de qubit do quantum annealer podem espelhar diretamente as interações microscópicas entre elétrons em um material quântico. Apenas um único parâmetro no quantum annealer deve ser modificado. O resultado se alinha estreitamente com as descobertas experimentais.

No entanto, a pesquisa também tem aplicações práticas. Por exemplo, uma compreensão mais profunda do 1T-TaS₂dispositivos de memória baseados em – podem levar a um dispositivo de memória quântica prático, implementado diretamente em uma unidade de processamento quântico (QPU). Tais dispositivos podem contribuir para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos com eficiência energética, reduzindo significativamente o consumo de energia de sistemas de computação.

Impacto e aplicações dos recozimentos quânticos

A pesquisa destaca o potencial dos annealers quânticos na resolução de problemas práticos, abrindo caminho para sua aplicação mais ampla em vários campos, como criptografia, ciência de materiais e simulações de sistemas complexos. Além disso, as descobertas têm implicações diretas para o desenvolvimento de dispositivos de memória quântica com eficiência energética.

Referência: “Dinâmica de reconfiguração de domínio quântico fora de equilíbrio em um cristal eletrônico bidimensional e um recozimento quântico” por Jaka Vodeb, Michele Diego, Yevhenii Vaskivskyi, Leonard Logaric, Yaroslav Gerasimenko, Viktor Kabanov, Benjamin Lipovsek, Marko Topic e Dragan Mihailovic, 6 de junho de 2024, Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-024-49179-z