Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

Para compreender o mundo material, os cientistas precisam saber não apenas como os átomos ficam parados, mas como eles se comportam quando estão excitados. Quando uma molécula absorve energia, seus elétrons saltam para níveis mais altos, criando o que são chamados de estados excitados. Esses momentos fugazes são responsáveis pelo brilho de um vaga-lume, a cor de um pôr do sol e as reações químicas que impulsionam a vida. Embora os computadores tenham se tornado muito bons em calcular a energia dos átomos em seu estado calmo e de repouso, descobrir a energia desses estados excitados tem sido um problema persistente. Os computadores clássicos lutam com a complexidade desses níveis de energia mais altos, muitas vezes produzindo resultados pouco confiáveis. Essa limitação impulsionou pesquisadores a buscar os computadores quânticos, máquinas que usam as estranhas regras da física quântica para resolver problemas que são difíceis demais para os supercomputadores tradicionais. No entanto, os computadores quânticos disponíveis hoje ainda são pequenos e propensos a erros, tornando difícil executar os cálculos complexos necessários para encontrar esses estados excitados.

Uma equipe de pesquisadores demonstrou agora uma nova maneira de enfrentar esse problema usando a luz. Eles utilizaram com sucesso uma técnica chamada eigensolver de autovalores quânticos de busca de subespaço para encontrar os níveis de energia de estados excitados em um espaço de alta dimensão. Em vez de depender dos métodos frágeis e propensos a erros que geralmente exigem partículas auxiliares extras para comparar estados, eles usaram um circuito compartilhado para processar múltiplos estados simultaneamente. Ao codificar informações no movimento giratório das partículas de luz, eles foram capazes de estimar as energias de uma molécula simples e de uma cadeia de átomos magnéticos. Este trabalho mostra que o uso de fótons para carregar informação quântica oferece um caminho prático e eficiente para simular processos químicos complexos que antes estavam fora de alcance.

O desafio central neste campo é que encontrar o estado de menor energia de um sistema é relativamente direto para algoritmos quânticos, mas encontrar os próximos níveis de energia acima é muito mais difícil. Os métodos tradicionais geralmente exigem que o computador realize uma série de comparações delicadas entre diferentes estados, um processo que se torna incrivelmente difícil à medida que o sistema cresce. Para contornar isso, os pesquisadores recorreram a um método conhecido como eigensolver de autovalores quânticos de busca de subespaço. Essa abordagem permite que o computador busque vários níveis de energia simultaneamente, preparando um conjunto de pontos de partida distintos e não sobrepostos e executando-os através do mesmo processo de otimização. A chave para fazer isso funcionar em máquinas imperfeitas como as de hoje foi encontrar uma maneira de preparar esses pontos de partida distintos sem precisar de sequências de operações profundas e complexas que introduziriam muitos erros.

A equipe escolheu usar fótons, ou partículas de luz, como seus bits quânticos. Especificamente, eles utilizaram uma propriedade da luz chamada momento angular orbital, que pode ser pensada como a luz girando em torno de seu próprio eixo como um saca-rolhas. Ao moldar a luz com padrões holográficos especiais, eles puderam criar diferentes "giros" que atuavam como estados distintos e ortogonais. Neste contexto, ortogonal simplesmente significa que os estados são completamente independentes uns dos outros, como diferentes canais em um rádio que não interferem entre si. Este método permitiu que eles preparassem múltiplos estados de entrada de forma direta e eficiente, evitando as sequências de portas profundas e propensas a erros que assolam outras plataformas de computação quântica.

Em seu experimento, os pesquisadores configuraram um sistema onde um laser gerava pares de fótons únicos. Um fóton servia como um sinal para confirmar que o outro estava pronto, enquanto o segundo fóton era enviado para o processador quântico. Dentro do processador, a equipe exibiu padrões holográficos específicos em um modulador de luz espacial, um dispositivo que pode alterar a forma de um feixe de luz. Esses padrões preparavam o fóton em um de vários estados giratórios específicos. O fóton passava então por um segundo modulador que realizava as medições necessárias para determinar suas propriedades de energia. Um computador clássico monitorava os resultados, ajustava as configurações dos hologramas e repetia o ciclo até que os valores de energia parassem de mudar, indicando que os valores corretos haviam sido encontrados.

A equipe testou essa abordagem em dois sistemas diferentes. Primeiro, modelaram uma molécula simples composta por um átomo de hélio e um átomo de hidrogênio, conhecida como HeH+. Eles estimaram com sucesso as energias para quatro níveis diferentes desta molécula, incluindo tanto seu estado fundamental quanto três estados excitados, e calcularam os desvios de energia entre suas estimativas experimentais e os valores teóricos. Em seguida, aplicaram o método a um sistema mais complexo: uma cadeia de oito átomos magnéticos interagindo entre si, estimando as energias dos estados excitados para esta cadeia de Heisenberg de oito dimensões. Em ambos os casos, os resultados experimentais forneceram estimativas para os níveis de energia alvo, provando que o método funciona mesmo à medida que o tamanho do sistema aumenta.

Esta demonstração é significativa porque mostra que sistemas quânticos de alta dimensão podem ser explorados sem a carga pesada de hardware extra ou etapas complexas de correção de erro. Ao usar as propriedades naturais da luz para codificar informação, os pesquisadores criaram uma arquitetura escalável que é bem adequada para a geração atual de dispositivos quânticos. A capacidade de prever com precisão as energias dos estados excitados abre as portas para uma melhor compreensão das reações químicas e das propriedades dos materiais, potencialmente levando à descoberta de novos medicamentos ou células solares mais eficientes. O trabalho confirma que os sistemas fotônicos, que usam a luz em vez da eletricidade para processar informação, são um caminho viável e eficiente em recursos para resolver alguns dos problemas mais difíceis da química e da física.