Embora as “oscilações acopladas” possam não parecer familiares, elas estão em toda parte na natureza. O termo “osciladores harmônicos acoplados” descreve sistemas interativos de massas e molas, mas sua utilidade na ciência e na engenharia não termina aí. Eles descrevem sistemas mecânicos como pontes, as ligações entre os átomos e até mesmo os efeitos gravitacionais das marés entre a Terra e a Lua. A compreensão de tais problemas nos permite investigar uma gama correspondentemente enorme de sistemas, da química à engenharia, à ciência dos materiais e muito mais.
Classicamente representados por um modelo de esfera e mola, os sistemas oscilatórios acoplados tornam-se cada vez mais complexos à medida que mais osciladores são adicionados. Com um novo algoritmo quântico criado em parte pelo nomeado conjunto do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e professor da Universidade de Toronto, Nathan Wiebe, a simulação de tais sistemas complexos de osciladores acoplados é agora mais rápida e eficiente. Esses resultados foram publicados em Revisão física X.
Em parceria com pesquisadores do Google Quantum AI e da Universidade Macquarie em Sydney, Austrália, Wiebe desenvolveu um algoritmo para simular sistemas de massas e molas acopladas em computadores quânticos. Os pesquisadores então forneceram evidências da vantagem exponencial do novo algoritmo sobre os algoritmos clássicos.
Essa aceleração foi possível mapeando a dinâmica dos osciladores acoplados a uma equação de Schrödinger – a contrapartida quântica de uma equação newtoniana clássica. A partir daí, o sistema poderia ser simulado usando métodos hamiltonianos.
Em essência, esta abordagem permite aos cientistas expressar a dinâmica de osciladores acoplados usando muito menos bits quânticos do que os métodos tradicionais. Os pesquisadores podem então simular o sistema usando exponencialmente menos operações.
Talvez o aspecto mais intrigante do seu trabalho surja da questão de saber se este algoritmo realmente oferece uma aceleração exponencial sobre todos os algoritmos comuns possíveis. Primeiro, os autores mostraram que este algoritmo funciona nos dois sentidos: que osciladores harmônicos acoplados podem ser usados para simular um computador quântico arbitrário.
Isto significa que, a um nível elevado, sistemas muito grandes de massas e molas interactivas podem conter dentro deles um poder computacional equivalente a um computador quântico.
Em segundo lugar, os autores consideraram as restrições teóricas em torno do cálculo destas dinâmicas. Se existisse uma maneira de simular essas dinâmicas em tempo polinomial nos computadores existentes, os pesquisadores poderiam construir um método mais rápido para simular computadores quânticos. No entanto, isto provaria que os computadores quânticos não são essencialmente mais poderosos que os computadores clássicos.
As evidências acumuladas ao longo dos anos mostram que é excepcionalmente improvável que os computadores clássicos sejam qualitativamente tão poderosos quanto os computadores quânticos. Assim, este trabalho fornece um argumento convincente de que este algoritmo proporciona uma aceleração exponencial, bem como uma demonstração clara de uma ligação nova e sutil entre a dinâmica quântica e o humilde oscilador harmônico.
“Muito poucas novas classes de acelerações exponenciais prováveis de cálculos clássicos foram desenvolvidas”, disse Wiebe. “Nosso trabalho oferece uma vantagem computacional significativa para uma ampla gama de problemas em engenharia, neurociência e química.”