Avanços em computação quântica prometem acelerar descoberta de fármacos e pesquisa de materiais

Cientistas chineses observaram e controlaram um raro estado intermediário em um sistema quântico, efetivamente desacelerando o caos quântico. Usando o processador supercondutor Chuang Tzu 2.0 de 78 qubits, os pesquisadores demonstraram como uma fase temporariamente estável pode ser estendida ou encurtada.

A equipe identificou um platô de pré-termalização (prethermalisation plateau), um breve período durante o qual o sistema resiste à desordem antes de descer rapidamente para a complexidade total. Um ajuste cuidadoso das sequências de controle permitiu aos cientistas calibrar a taxa de decoerência quântica e controlar como a informação se espalha. As descobertas, publicadas na Nature, oferecem uma janela potencial para preservar informações quânticas frágeis. Tempos de coerência mais longos poderiam melhorar significativamente a confiabilidade da computação quântica e dos métodos de correção de erros.

Segundo os pesquisadores, o trabalho também destaca a vantagem de processadores quânticos para simular fenômenos complexos demais para supercomputadores clássicos. As aplicações podem variar de descoberta de fármacos (drug discovery) e pesquisa avançada de materiais (advanced materials research) a comunicações seguras de próxima geração.

Um poderoso motor de química quântica agora está disponível e pode ajudar cientistas a enfrentar problemas químicos complexos. O Extreme-scale Electronic Structure System (EXESS) pode realizar mais de 1 quintilhão de cálculos por segundo para responder a questões em química quântica. A nova tecnologia pode acelerar drasticamente a pesquisa em descoberta de fármacos, ciência dos materiais e outras áreas.

Os cálculos de química quântica desempenham um papel importante no desenvolvimento de novos medicamentos e materiais. Por exemplo, pesquisadores usam simulações de química quântica para entender como os fármacos interagem com sítios de ligação molecular no organismo. Esse entendimento pode ajudar os pesquisadores a modificar a molécula do fármaco para otimizar a velocidade e a eficiência dessa ligação.

A quantidade de poder computacional necessária cresce de forma exponencial com o número de átomos no sistema. Resolver com precisão problemas envolvendo moléculas grandes, como proteínas, que podem conter milhares de átomos, rapidamente se torna inviável. O EXESS opera de 3.000 a 4.000 vezes mais rápido do que muitos outros pacotes de software de química quântica, abrindo caminho para cálculos com moléculas grandes como proteínas. Não há uma única inovação responsável por esse enorme aumento, e ele roda em hardware convencional — portanto, não é necessária computação quântica.

Uma forma de a equipe acelerar os cálculos foi encontrar maneiras de executar múltiplas operações ao mesmo tempo. Muitos algoritmos de química quântica são projetados para operar em etapas sequenciais. A equipe encontrou formas de alterar os algoritmos ou as abordagens teóricas para permitir que mais processos fossem executados em paralelo. A equipe implementou uma técnica conhecida como fragmentação molecular (molecular fragmentation), que decompõe um problema em fragmentos menores, computa esses fragmentos simultaneamente e, em seguida, costura essas partes novamente. Isso lhes permitiu acelerar grandes cálculos ao executar muitos cálculos menores de uma só vez.

Há cálculos que, em princípio, levariam cerca de um mês e que, na prática, levam mais perto de 12 minutos quando executados usando o EXESS. A empresa está atualmente focada em usar o EXESS para descoberta de fármacos, encontrando e otimizando interações entre medicamentos e o organismo, ou entendendo melhor como fármacos existentes funcionam e por que as pessoas desenvolvem resistência a eles. A empresa está oferecendo acesso gratuito para projetos de pesquisa aprovados. Uma versão limitada do software também está disponível ao público em geral.

Descoberta de fármacos, desenvolvimento de novas químicas de baterias, simulações de materiais e detecção de fraude estão entre algumas das principais aplicações para computadores quânticos. A computação quântica é apontada como uma das principais candidatas entre as estratégias tecnológicas e continua a ser impulsionada por governos em todo o mundo. Estima-se que o mercado de computação quântica ultrapasse US$ 21 bilhões até 2046, crescendo a uma taxa composta de crescimento anual de 26,7%.

O desenvolvimento contínuo de chips quânticos maiores e mais poderosos já está em andamento. Dominar esses estados de transição será crucial para desbloquear todo o potencial das tecnologias quânticas.