Informática

Processador quântico simula reação química pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/05/2025

Ilustração da simulação e vista do interior do computador quântico de íons aprisionados usado na simulação.
[Imagem: University of Sydney]

Simulador quântico para química

Pesquisadores australianos conseguiram fazer pela primeira vez uma simulação quântica da dinâmica química com moléculas reais, o que é um marco na aplicação da computação quântica à química e à medicina.

Entender em tempo real como os átomos interagem para formar novos compostos durante as reações químicos ou estudar como a luz interage com a matéria estão entre as aplicações mais promissoras e mais esperadas da tecnologia quântica, mas tudo vinha sendo muito restrito.

Por exemplo, até agora os computadores quânticos se limitaram a calcular propriedades estáticas das moléculas - como suas energias -, sem conseguir acessar os processos dinâmicos e evolutivos ao longo do tempo, já que esses são fenômenos incrivelmente complexos.

Agora, Tomas Navickas e colegas da Universidade de Sydney conseguiram simular o comportamento das moléculas conforme elas recebiam energia da luz, um processo que envolve mudanças eletrônicas e vibracionais ultrarrápidas, que os computadores clássicos têm dificuldade em modelar com precisão e eficiência.

O professor Ivan Kassal, coordenador da equipe, compara isso com uma caminhada por uma montanha: "Uma coisa é entender seu ponto de partida, seu ponto final e a altura que você precisará escalar. Mas isso não ajuda a entender o caminho que você seguirá. Nossa nova abordagem nos permite simular a dinâmica completa de uma interação entre a luz e as ligações químicas. É como entender a posição e a energia do montanhista em qualquer ponto de sua jornada pelas montanhas."

Mapeamento da dinâmica molecular no íon de itérbio.
[Imagem: Tomas Navickas et al. - 10.1021/jacs.5c03336]

Simulação analógica de uma reação química

Ao contrário dos trabalhos anteriores na área, que modelavam apenas sistemas dinâmicos abstratos, a equipe conseguiu simular moléculas reais, demonstrando a capacidade para imitar processos químicos reais - a simulação envolveu a interação da luz com aleno (C3H4), butatrieno (C4H4) e pirazina (C4N2H4).

Embora seja um feito histórico, de modo um tanto curioso a equipe não precisou de um "supercomputador quântico": Na verdade, eles usaram o que se pode chamar de um "computador quântico minimalista", um simulador formado por um único qubit, um átomo do elemento químico itérbio - essa arquitetura é conhecida como qubit de íons aprisionados.

Mas por que simular uma molécula recebendo um fóton? Porque o processo natural é rápido demais, enquanto o simulador permite observar cada detalhe, passo a passo. Imagine observar o processo de uma molécula absorver um fóton, vibrar e passar por uma rápida transição eletrônica - tudo codificado em uma simulação quântica que se desenrola em um impressionante fator de dilatação temporal de 100 bilhões (1011). Isso significa que a simulação quântica funciona em uma escala de tempo acessível de milissegundos, reproduzindo fielmente os eventos químicos ultrarrápidos que ocorrem em femtossegundos (10-15 segundo).

A simulação propriamente dita consiste em usar o qubit para codificar comportamentos como o modo como os átomos da molécula movimentam-se uns em relação aos outros e como seus elétrons saltam para níveis de energia mais altos. A equipe conseguiu codificar todos esses parâmetros em um único átomo de itérbio: As excitações dos elétrons da molécula correspondiam a excitações semelhantes em um dos elétrons do íon, enquanto dois modos vibracionais diferentes foram representados pelo íon oscilando dentro de sua armadilha em duas direções distintas.

Tudo pronto, a equipe então manipulou o íon usando pulsos de laser, de modo a ajustar o modo como todos os estados interagiam, forçando o íon a evoluir no tempo. Ao fazer isto, ele estava imitando exatamente o comportamento das moléculas correspondentes quando elas são atingidas por um fóton.

Ilustração do simulador quântico usando um único qubit.
[Imagem: Tomas Navickas et al. - 10.1021/jacs.5c03336]

Múltiplas aplicações

"Realizar a mesma simulação usando uma abordagem mais convencional em computação quântica exigiria 11 qubits perfeitos e 300.000 portas de entrelaçamento impecáveis. Nossa abordagem é cerca de um milhão de vezes mais eficiente em termos de recursos, permitindo o estudo de dinâmicas químicas complexas com muito menos recursos do que se pensava ser possível anteriormente," disse o professor Kassal.

Aplicações futuras dessa abordagem de simulação analógica incluem a simulação de reações químicas e dinâmicas químicas em qualquer situação que envolva a luz. Isso inclui a fotossíntese, danos ao DNA por UV, terapias fotodinâmicas e pesquisa sobre câncer, além do aprimoramento de células solares.

"Pegamos esse estudo e aplicamos sua abordagem à dinâmica de três moléculas diferentes após elas absorverem luz. É possível simular as interações dessas moléculas específicas usando supercomputadores clássicos. Mas moléculas mais complexas estarão além de suas capacidades. A tecnologia quântica será capaz de simular uma complexidade que está além de todas as capacidades clássicas," disse o professor Tingrei Tan, membro da equipe.

Bibliografia:

Artigo: Experimental Quantum Simulation of Chemical Dynamics
Autores: Tomas Navickas, Ryan J. MacDonell, Christophe H. Valahu, Vanessa C. Olaya-Agudelo, Frank Scuccimarra, Maverick J. Millican, Vassili G. Matsos, Henry L. Nourse, Arjun D. Rao, Michael J. Biercuk, Cornelius Hempel, Ivan Kassal, Ting Rei Tan
Revista: Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.5c03336

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