Dentro do computador quântico de íons presos que realizavam a simulação de química.Crédito: a Universidade de Sydney
Um único átomo realizou as primeiras simulações quânticas completas de como certas moléculas reagem à luz. Os pesquisadores que realizaram o feito dizem que sua abordagem minimalista pode acelerar drasticamente o caminho em direção a uma ‘vantagem quântica’ – quando os computadores quânticos poderão prever o comportamento de produtos químicos ou materiais de maneiras que estão além do alcance dos computadores comuns.
“A principal vantagem dessa abordagem é que ela é incrivelmente eficiente em termos de hardware”, diz Ting Rei Tan, um físico quântico experimental da Universidade de Sydney. O átomo único pode codificar as informações que normalmente se espalham por uma dúzia de ‘qubits’, as unidades computacionais usadas na maioria dos computadores quânticos. As descobertas foram publicadas em 14 de maio no Jornal da American Chemical Society1.
Nenhum computador quântico havia simulado esse nível de complexidade nos níveis de energia das moléculas antes, diz Alán Aspuru-Guzik, químico computacional da Universidade de Toronto, no Canadá. “Este é um tour-de-force que permanecerá nos livros de história”.
Elétrons excitados
Tan e seus colegas simularam o comportamento de três moléculas orgânicas diferentes, aleno, masatrieno e pirazina, quando são atingidas por uma partícula energética chamada fóton. Quando isso acontece, desencadeia uma cascata de eventos na molécula que afeta ambos como seus átomos se movem em relação um ao outro-vibrando como bolas conectadas por molas-e como seus elétrons saltam para a energia superior, ou os estados excitados. Compreender a sequência precisa desses eventos pode ajudar os químicos a projetar moléculas que canalizam energia da maneira mais útil ou eficiente, por exemplo, em painéis solares ou na loção de filtro solar.
Meet ‘qudits’: primos mais complexos de qubits impulsionam a computação quântica
Os pesquisadores encontraram uma maneira de codificar esses diferentes parâmetros em um único íon ytterbio preso no vácuo usando campos elétricos pulsantes: as excitações dos elétrons da molécula correspondiam a excitações semelhantes em uma das duas direções de íons e dois diferentes modos vibracionais foram representados pelo iOn Wiggling dentro de sua faixa em duas direções. A equipe também cutucou o íon com pulsos a laser para adaptar como todos os estados interagiram entre si. Isso forçou o íon a evoluir com o tempo, o que significa que poderia imitar como as moléculas correspondentes agem depois de serem atingidas por um fóton.