Técnica quântica possibilitaria desenvolvimento de células solares mais eficientes

Usando todos os recursos de computação quântica do Quantinuum H1-1, os pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia não apenas demonstraram as melhores práticas para computação científica nos sistemas quânticos atuais, mas também produziram um resultado científico intrigante.

Ao modelar a fissão de singletos – na qual a absorção de um único fóton de luz por uma molécula produz dois estados excitados – a equipe confirmou que os níveis energéticos da molécula linear de H ₄ correspondem aos requisitos do processo de fissão. A molécula linear de H ₄ é, simplesmente, uma molécula feita de quatro átomos de hidrogênio arranjados de forma linear.

Os níveis energéticos de uma molécula são as energias de cada estado quântico envolvido em um fenômeno, como a fissão de singletos, e como eles se relacionam e se comparam entre si. O fato de os níveis energéticos da molécula linear serem propícios à fissão de singletos pode ser um conhecimento útil no esforço geral para desenvolver painéis solares mais eficientes.

“Este é um dos principais fatores motivadores por trás da fissão singlete – as células solares convencionais têm uma eficiência máxima teórica de cerca de 33%, mas foi postulado que materiais que exibem fissão singlete podem quebrar esse limite e podem ser mais eficientes”, disse Daniel Claudino, pesquisador do grupo de Ciência Computacional Quântica do ORNL e principal investigador do projeto. “A desvantagem é que entender fundamentalmente se um determinado material exibe fissão singlete é muito difícil. Há um requisito energético específico e é difícil encontrar materiais que o atendam.”

Com sua alta precisão para um custo computacional administrável, a abordagem da equipe do ORNL para usar um computador quântico fornece um método de simulação eficaz para identificar moléculas que demonstram propriedades de fissão singlete, ignorando as aproximações comumente encontradas em técnicas usadas para computadores clássicos. Os resultados de seu trabalho foram publicados no The Journal of Physical Chemistry Letters.

A fissão singlete é um fenômeno multiestado, então a equipe do ORNL precisava de um método computacional que pudesse descrever todos os estados quânticos do processo em pé de igualdade para calcular números energéticos precisos. Eles se voltaram para o PDS, que é um solucionador quântico baseado na abordagem Peeters-Devreese-Soldatov e desenvolvido no Pacific Northwest National Laboratory.

O PDS possui algumas vantagens sobre as estratégias clássicas para determinar as propriedades energéticas de um material, incluindo uma precisão muito maior do que a teoria funcional de densidade e menos demandas computacionais do que a teoria de cluster acoplado. E, como foi desenvolvido para melhorar a precisão e a eficiência das simulações em química quântica, o PDS é adequado para aproveitar as vantagens potenciais dos computadores quânticos.

“A energia da fissão singlete gira em torno de excitações eletrônicas duplas – dois elétrons sobem dois níveis de energia mais altos simultaneamente, o que é bastante difícil de definir com algoritmos para computadores convencionais”, disse Claudino.

“Mas, da maneira subjacente como um computador quântico funciona, ele pode tratar naturalmente as correlações quânticas que dão origem a esse fenômeno de fissão singlete. Foi quando chegamos à conclusão de que, ‘sim, devemos usar um computador quântico para tratar algo que é inerentemente quântico.” Isso é bem conhecido. Mas acho que fomos os primeiros a perceber que ele tinha aplicação para esse problema específico.”

O acesso ao H1-1, um computador quântico pronto para empresas construído pela Quantinuum (anteriormente Honeywell), foi fornecido pelo Quantum Computing User Program no Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação do DOE Office of Science.

A computação quântica – uma tecnologia ainda em seus estágios formativos em comparação com os supercomputadores clássicos, como a classe exascale Frontier da OLCF – utiliza bits quânticos, ou qubits, para realizar cálculos. Ao contrário dos bits binários usados ​​em computadores clássicos, os qubits vão além de 1s e 0s para também usar 1 e 0 simultaneamente em uma superposição mista, aumentando exponencialmente seu poder de processamento para determinadas equações, como as baseadas na mecânica quântica. No entanto, os sistemas de computadores quânticos ainda são propensos a altas taxas de erro, e a equipe teve que compensar esse desafio para obter resultados confiáveis.

“É melhor ter muito mais medições para estar do lado seguro quando se trata de contornar erros, mas não poderíamos executar esse algoritmo em tempo hábil”, disse Claudino.

“Foi quando criamos a otimização de medição para reduzir o tamanho de nossos cálculos a algo que fosse razoável em termos de tempo de computação. Passamos de algo que era proibitivamente grande para algo que era passível de hardware quântico.”

Os membros da equipe do ORNL aplicaram três estratégias independentes para diminuir a carga de trabalho computacional do problema, o que reduziu o tempo de solução de meses para algumas semanas. Primeiro, em uma técnica chamada qubit tapering, eles diminuíram o número de qubits necessários para expressar o problema, reduzindo o tamanho do próprio problema. Em segundo lugar, eles fizeram menos medições para resolver o problema medindo grupos de termos uma vez, em vez de medir cada termo individual de cada grupo. Terceiro, em vez de implementar cada circuito individualmente, eles encontraram uma maneira de executar quatro circuitos em paralelo, permitindo usar todos os 20 qubits no H1-1.

“Percebemos que, se quiséssemos jogar tudo isso em um computador quântico, não funcionaria porque ainda é muito para a tecnologia atual. A ideia é que você queira imaginar uma maneira de explorar o computador quântico, mas apenas para tarefas específicas que sabemos que podem executar melhor do que os computadores convencionais”, disse Claudino.

“No entanto, mesmo assim, você ainda está limitado pelo estado atual da arte que só nos permite ir até um certo tamanho ou executar tarefas que demoram apenas um certo tempo. Esse é o principal gargalo quando se trata de computadores quânticos.”

O projeto da equipe do ORNL demonstrou a viabilidade dos computadores quânticos atuais para resolver problemas científicos que podem afetar a vida cotidiana. Embora Claudino não preveja voltar a enfrentar a fissão singlete em breve, sua equipe estuda outros problemas — como “a direção da matéria e da luz” — que podem ser resolvidos com as técnicas de computação quântica demonstradas neste projeto.

Mesmo que as abordagens que usamos tenham sido publicadas anteriormente, eu diria que estão longe de serem amplamente adotadas. Acho que defendemos fortemente o uso de tais abordagens”, disse Claudino. “Os pesquisadores devem estar cientes de que podem estar desperdiçando recursos quânticos e potencialmente aumentando os erros em suas simulações ao não aproveitar essas técnicas.”