Quando o Universo é demasiado quântico para os supercomputadores
"Como a computação quântica pode ajudar a explorar fenómenos extremos do Universo que os supercomputadores não conseguem descrever"
Há fenómenos na Natureza tão profundamente quânticos que representam um desafio até para os supercomputadores atuais, porque não podem ser descritos apenas com as leis da física clássica.
Um deles nasceu nos primeiros instantes do Universo e continua, até hoje, a desafiar os físicos que estudam as colisões de alta energia no CERN.
Para perceber se a computação quântica pode ajudar a desvendá-lo, uma equipa do LIP - Nuno Castro, Guilherme Milhano e Gabriela Oliveira - decidiu testar uma ideia simples e ambiciosa: usar qubits para simular quarks e gluões, as partículas fundamentais que dominaram os primeiros microssegundos após o Big Bang.
Este estudo, desenvolvido no âmbito da tese de mestrado de Gabriela Oliveira na Escola de Ciências da Universidade do Minho e publicado no European Physical Journal C, oferece um dos primeiros vislumbres de como esta tecnologia ainda emergente poderá transformar a física das partículas.
Mas antes de perceber o que fizeram, importa perguntar:
Estaremos mesmo na era dos computadores quânticos?
Nos últimos anos, a computação quântica tornou-se omnipresente em notícias, conferências e discursos estratégicos. Mas a realidade é mais complexa do que a narrativa pública sugere.
Como explica Gabriela Oliveira, atualmente no Niels Bohr Institute (Universidade de Copenhaga) e coautora do artigo:
“Os computadores quânticos ainda estão numa fase muito inicial: são limitados, ruidosos e não conseguem mostrar todas as vantagens que prometem. Já do lado dos algoritmos, há avanços sólidos, mas que exigem máquinas muito mais desenvolvidas do que as atuais.”
Ainda não chegámos à grande revolução, mas já entrámos na fase em que vale a pena perceber para que problemas esta tecnologia pode realmente fazer a diferença.
Um desses problemas está escondido nos primeiros momentos do Universo e no interior das colisões de partículas de hoje.
O problema que desafia computadores clássicos
Nos primeiros microssegundos após o Big Bang, a matéria não formava átomos nem núcleos. Existia como uma “sopa” quente de quarks e gluões: o plasma de quarks e gluões.
Experiências modernas, como as do LHC, conseguem recriar condições semelhantes. Nestes ambientes formam-se jatos (jets), feixes de partículas que transportam informação valiosa sobre a física fundamental.
Simular a evolução completa de um jato é um dos problemas mais difíceis da física contemporânea. Os computadores clássicos conseguem descrever muitos aspetos da propagação de quarks e gluões, mas:
“A partir de certo detalhe, a simulação torna-se extremamente complexa. Chega a um ponto em que um computador clássico simplesmente não consegue acompanhar”, explica Gabriela.
É exatamente aí que a computação quântica pode abrir novas portas.
A aposta do LIP: usar computadores quânticos para simular a Natureza quântica
Computadores clássicos usam bits; computadores quânticos usam qubits, que conseguem representar estados quânticos de forma muito mais natural, incluindo fenómenos como superposição e entrelaçamento, o que em princípio os torna adequados para estudar o comportamento de quarks e gluões.
Neste estudo, a equipa do LIP deu um primeiro passo: usar um simulador quântico para acompanhar a dinâmica quântica destas partículas.
“Usámos um simulador de computador quântico para simular quarks e gluões. A lógica é simples: se estas partículas obedecem às leis da mecânica quântica, então o seu estudo deverá beneficiar de uma ferramenta que também obedece às mesmas regras.” diz Gabriela.
Acrescenta que esta ideia tinha já sido antecipada por Richard Feynman, quando resumiu o desafio de forma direta:
“A Natureza não é clássica e se queres fazer uma simulação da Natureza, mais vale que seja quântica.”
Não resolve ainda a simulação completa dos jatos, mas abre caminho para estudar o problema de forma mais fiel à sua natureza quântica.
Um qubit de cada vez: que portas abre este estudo
O trabalho demonstra que, mesmo com máquinas quânticas ainda imaturas, já é possível testar estratégias que, no futuro, poderão ultrapassar limitações dos supercomputadores clássicos.
“A física de partículas é governada pelas leis da mecânica quântica. Computadores quânticos maduros poderão permitir simulações mais detalhadas e complexas e abrir espaço para descobrir coisas novas sobre o Universo”, aponta Gabriela.
É apenas um início. Mas mostra que Portugal começa também a integrar o esforço internacional que procura perceber como a computação quântica poderá transformar o estudo da física das partículas.