Park Kwon, Professor, Departamento de Física, Instituto de Estudos Avançados
Em outras palavras, a ciência é o processo de compreensão do que é o universo. Um passo particularmente importante neste processo é compreender os materiais que constituem o universo. Até onde sabemos, a teoria que pode explicar com precisão os materiais que constituem o universo é a mecânica quântica. No entanto, a mecânica quântica enfrenta atualmente um muro computacional e tem dificuldade em avançar.
A mecânica quântica pode resolver o início do universo
Em primeiro lugar, a unidade básica da matéria é o átomo. A mecânica quântica pode descrever átomos com muita precisão. As dificuldades encontradas atualmente na mecânica quântica surgem quando muitos átomos se combinam entre si para formar polímeros ou, além disso, estão dispostos em uma estrutura de rede regular para formar sólidos. Tecnicamente, os problemas que lidam com sistemas compostos por muitas partículas, como polímeros ou sólidos, são chamados de “problemas de muitos corpos”. Muitos problemas corporais são muito diversos. Para facilitar a discussão, concentremo-nos aqui nos vários problemas corporais que lidam com os sólidos.
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Ciência, o processo de compreensão do que é o universo
Embora a mecânica quântica explique isso precisamente
Todos os casos devem ser determinados simultaneamente
Não podemos entender sem computadores quânticos.
Para problemas de muitos corpos a serem resolvidos pela mecânica quântica, a quantidade de cálculos aumenta exponencialmente à medida que o número de partículas aumenta. Mesmo um supercomputador não consegue lidar com a quantidade crescente de cálculos. Então, por que é tão difícil calcular vários problemas corporais?
Baduk e vários problemas corporais
Os convidados aguardavam ansiosamente um protótipo de computador quântico de 50 qubit baseado em supercondutividade no Quantum Korea 2023, o maior evento internacional da Coreia relacionado à tecnologia quântica, realizado no Dongdaemun Design Plaza (DDP) em Jung-gu, Seul, em junho passado. [연합뉴스]
Falando metaforicamente, o problema dos múltiplos corpos é uma espécie de baduk. Baduk é o jogo de organizar adequadamente as pedras pretas e brancas em um tabuleiro de xadrez quadrado que possui 19 linhas horizontais e 19 linhas verticais que se cruzam. Da mesma forma, o problema de muitos corpos que trata de sólidos pode ser visto como um jogo de arranjo adequado de dois tipos de elétrons em uma estrutura de rede regular composta de átomos. Para referência, os elétrons são divididos em dois tipos, spin para cima e spin para baixo, com base na propriedade de spin.
Existem semelhanças entre os objetivos de Paddock e os de resolver problemas de muitos corpos. O objetivo do Baduk é criar espaços vazios ou “casas” cercadas por mais pedras que o adversário. Para fazer isso, é importante encontrar o estilo de pedra certo. O objetivo de resolver muitos problemas corporais é encontrar o padrão de elétrons que possa minimizar a energia total do sistema. A energia total do sistema consiste na energia cinética e na energia potencial dos elétrons. A energia cinética dos elétrons diminui quando os elétrons individuais se movem livremente entre diferentes pontos da grade. A energia potencial de um elétron diminui à medida que os diferentes elétrons são separados tanto quanto possível. A energia cinética e a energia potencial geralmente se opõem, mas a energia total pode ser reduzida através de um equilíbrio adequado entre as duas.
Existem também grandes diferenças entre problemas de baduk e problemas com vários corpos. A diferença é que o jogo Baddock é clássico, mas o problema dos muitos corpos é a mecânica quântica. O jogo de Baduk termina quando um padrão de pedra adequado é encontrado em um determinado jogo. No entanto, em problemas multicorpos, não existe apenas um tipo de elétron. Segundo a mecânica quântica, tudo o que pode acontecer acontece simultaneamente. Este é o fenômeno da superposição de funções de onda, conhecido como gato de Schrödinger.
Especificamente, na fábula “O Gato de Schrödinger”, a vida ou morte do gato depende de a garrafa de gás venenoso colocada ao lado quebrar ou não. O destino da garrafa de gás venenoso, por sua vez, depende do estado dos átomos em algum dispositivo que determina o funcionamento do martelo mecânico colocado próximo a ela. Os átomos existem em uma interface entre o estado fundamental e o estado excitado de acordo com os princípios da mecânica quântica. Como resultado, o gato de Schrödinger também existe num estado interligado de vida e morte. No problema de muitos corpos, o padrão eletrônico existe como uma superposição de todos os estados possíveis, semelhante ao gato de Schrödinger. Figurativamente, encontrar o padrão de elétrons em um problema de muitos corpos é como encontrar todos os movimentos possíveis de uma só vez em um jogo de Go.
Um novo caminho chamado computação quântica
Então, quantos casos possíveis existem em Paddock? O número de interseções no tabuleiro de xadrez é 19 x 19 = 361. Da maneira mais simples, todos os movimentos possíveis no jogo Go envolvem primeiro colocar uma pedra preta em uma das 361 interseções, depois colocar uma pedra branca em uma das 360 interseções restantes e assim por diante até que todas as interseções no tabuleiro sejam concluído. Pesado Existem muitas maneiras de colocar pedras. Este número é 361!=361×360×359×…×3×2×1, que é aproximadamente 10 elevado à potência de 768. Este é um número incrivelmente grande que nem pode ser estimado, considerando que o número de todos os átomos em o universo é cerca de 10 elevado a 82. Além disso, o número de pontos de rede na estrutura de rede formada pelos átomos do sólido é em si um número de Avogadro muito grande, ou seja, 6 x 10 elevado a 23. O problema de organizar os elétrons nesses muitos pontos da rede está muito além do que podemos lidar com ele. Precisamos de um novo caminho.
Richard Feynman, o famoso físico teórico que ganhou o Prêmio Nobel de Física pela eletrodinâmica quântica, disse o seguinte em 1982: “A natureza, droga, não é clássica. “Se você quiser imitar a natureza, você tem que fazê-lo em um sistema quântico. maneira mecânica.” Computador Um que pode realizar simulações de mecânica quântica não é outro senão um computador quântico. A razão pela qual o problema anterior de muitos corpos é tão difícil é que, de acordo com os princípios da mecânica quântica, todos os estados possíveis devem ser determinados simultaneamente. Os computadores quânticos podem superar esta dificuldade usando os mesmos princípios da mecânica quântica que os criaram. Se um computador quântico em grande escala for construído no futuro, seremos, em princípio, capazes de determinar e prever com precisão as propriedades de toda a matéria, não apenas sólidos. Isso nos aproximará um passo do nosso objetivo final de compreender a verdade sobre o universo.
Park Kwon, Professor, Departamento de Física, Instituto de Estudos Avançados
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