Simuladores quânticos aproximam-se do uso prático

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/01/2010

Diagramas esquemáticos de três tipos de simuladores quânticos: 1) átomos (vermelho) aprisionados por um campo óptico (verde, no alto à esquerda); 2) íons (amarelo) alinhados por um campo eletromagnético (no alto à direita); 3) circuitos supercondutores (embaixo).
[Imagem: Riken Research]

Clássico versus quântico

Nas dimensões humanas, o mundo se comporta segundo as leis da física agora conhecidas como "clássicas". Mas quando damos um zoom na matéria, mergulhando fundo rumo ao reino das moléculas, dos átomos e das partículas ainda menores, as coisas se comportam segundo as leis da física quântica.

Tudo ia muito bem, até que o homem se lançou na era da miniaturização e começou a construir dispositivos e usar materiais com dimensões que ultrapassam essa fronteira entre clássico e quântico - chips de computador, raios laser e algumas outras maravilhas da tecnologia moderna, por exemplo.

Apesar de a mecânica quântica já estar perto de completar um século, o homem sequer arranhou esse novo reino, com seus comportamentos estranhos e possibilidades ainda inexploradas.

Experimentos quânticos

Não é para menos. Fazer experiências no reino clássico é fácil - basta construir um dispositivo qualquer e observar o que acontece. O homem vem fazendo isso há milênios.

Mas como testar como as coisas funcionam no mundo quântico? Qualquer experimento, por mais simples que seja, exige o desenvolvimento de tecnologias de medição e observação que ainda não existem. E que, muitas vezes, dependem do conhecimento do próprio mundo quântico, para que se possa construir o aparelho de medição e de observação que consiga captar a parte do experimento que realmente interessa.

Isso tem colocado os cientistas numa sinuca. Como escapar dessa armadilha, que exige tecnologias novas para conhecer um reino invisível, mas onde a construção dessas tecnologias já exige algum conhecimento prévio, ou algumas teorias muito boas, sobre o próprio reino que se quer conhecer?

Emuladores quânticos

A solução está, segundo os cientistas, nos emuladores quânticos - sistemas que imitem o comportamento dos sistemas quânticos e que possam ser manipulados de forma controlada e de forma mais simples do que os próprios sistemas quânticos, virtualmente inalcançáveis pela tecnologia atual.

Os emuladores quânticos são também chamados de simuladores quânticos - eles imitam ou simulam o que acontece em um sistema quântico utilizando um sistema maior e mais facilmente observável e controlável.

Várias propostas já foram feitas sobre a construção desses simuladores e alguns progressos vêm surgindo rapidamente. Progressos como a demonstração do entrelaçamento quântico em circuitos de estado sólido e uma esfera que levita por meio de luz para demonstrar fenômenos quânticos.

Estudar o desconhecido

Mas existem várias outras propostas. Iulia Buluta e Franco Nori, do instituto de pesquisas Riken, no Japão, resolveram fazer um levantamento de todas essas propostas e avaliar quais delas são mais promissoras.

Segundo eles, o quadro é entusiasmante, e pode-se esperar para breve as primeiras aplicações práticas desses simuladores quânticos.

"Os emuladores quânticos poderão ser empregados em áreas como a física atômica ou a física da matéria condensada", explica Nori. Contudo, segundo ele, o estudo detalhado dos processos físicos já conhecidos é apenas uma das vantagens: esses emuladores quânticos controláveis permitirão a exploração de processos físicos desconhecidos, que são tipicamente muito difíceis de estudar.

Tipos de emuladores

Entre os vários sistemas físicos que poderiam ser utilizados para construir um simulador quântico, as possibilidades mais promissoras sãos são matrizes regulares, formadas por átomos ou por íons, que são mantidos fixos por campos ópticos ou eletromagnéticos.

Segundo Buluta e Nori, as interações entre esses átomos oferecem um bom modelo para emular a interação entre outras partículas em sistemas complexos. Para modelar a condutividade elétrica, por exemplo, esse tipo de simulador quântico pode ser usado para estudar a transição do estado isolante para o estado condutor, onde os átomos deixam de ficar fixos e passam a ficar livres para se movimentar.

Uma terceira alternativa promissora, segundo os pesquisadores japoneses, está nos componentes eletrônicos que formam um chip de computador. Esses componentes podem ser utilizados como um sistema quântico controlável, onde os minúsculos circuitos feitos de fios supercondutores apresentam propriedades físicas quânticas que podem ser utilizadas para modelar problemas da física atômica.

Desafios a serem vencidos

Estes três tipos de sistemas quânticos já foram demonstrados experimentalmente. Contudo, vários desafios ainda deverão ser vencidos até que simuladores quânticos mais avançados e mais versáteis possam ser construídos.

A versatilidade é uma característica altamente desejável, permitindo que um simulador sirva para estudar vários comportamentos de sistemas quânticos diferentes.

Um dos maiores dentre esses desafios que restam para serem superados está a sincronização do funcionamento de um grande número de componentes, algo que ainda não foi alcançado.

Do ponto de vista teórico, a Dra. Buluta afirma que ainda há muito a aprender sobre a programação dos simuladores quânticos (veja Processador quântico programável roda pela primeira vez).

No entanto, afirmam os pesquisadores, em comparação com a situação de 25 anos atrás, quando Richard Feynman propôs pela primeira vez a utilização de simuladores quânticos, as mais recentes demonstrações experimentais dos componentes básicos dos computadores quânticos sugerem uma visão muito mais otimista para as próximas duas décadas.

"O nível necessário de controle dos sistemas quânticos agora está ao nosso alcance", afirmam os pesquisadores.

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