Uma questão-chave da Química foi respondida (sem precisar de computador quântico)

O que mais interessa a Garnet Chan é a ciência básica. Ele entrou para a química décadas atrás para entender alguns dos processos bioquímicos mais importantes da Terra.

“Meu principal interesse é resolver problemas químicos. Se os computadores clássicos forem a ferramenta certa para isso, devemos usá-los”, disse ele. Embora acredite que os computadores quânticos eventualmente desempenharão um papel importante na área, “não vejo por que deveríamos esperar que um computador quântico tolerante a falhas seja construído”.

Agora ele tem um resultado que fortalece seu argumento.

No início de janeiro, Chan e outros cinco químicos quânticos do Instituto de Tecnologia da Califórnia alcançaram um marco fundamental na compreensão da enzima nitrogenase, que converte o nitrogênio atmosférico em amônia e torna possível a vida em nosso planeta. Foi um grande triunfo para os químicos teóricos, o resultado de décadas de esforço.

Mas, durante anos, a nitrogenase também serviu como alvo de prova de conceito no campo da computação quântica. Para entender a enzima, os pesquisadores precisam acompanhar o comportamento de muitos elétrons que estão todos interligados por meio de emaranhamento quântico. O número de configurações possíveis cresce exponencialmente. Os pesquisadores levantaram a hipótese de que provavelmente só conseguiriam decifrar o sistema por meio de uma máquina capaz de manipular estados quânticos.

Mas Chan e seus colegas usaram métodos puramente clássicos. Isso torna seu resultado uma declaração crucial não apenas sobre a química que sustenta a vida, mas também sobre se os computadores quânticos são necessários para compreendê-la.

“Acho importante esclarecer que esta não é uma tarefa impossível, na qual seja preciso primeiro construir um computador quântico para poder dizer algo sobre o problema”, disse Chan.

Nem todos concordam. Alguns pesquisadores citam os muitos anos que foram necessários para obter o resultado por métodos clássicos. Mesmo que um problema de química tenha se mostrado solucionável com métodos clássicos, argumentam, computadores quânticos ainda são necessários para realizar esse tipo de descoberta em larga escala.

“Se escolhermos qualquer problema de otimização e dedicarmos 20 anos a ele, conseguiremos encontrar a solução para esse sistema”, disse James Whitfield, um teórico da computação quântica no Dartmouth College. “Mas será que essa solução é transferível? Questões como essa não serão respondidas resolvendo-se um único caso de um único sistema molecular.”

Resolver esse problema específico sobre a nitrogenase pode não encerrar o debate sobre computadores quânticos por enquanto, mas cada passo em direção à compreensão da química completa da enzima torna o debate menos hipotético.

Fábrica de Amônia da Natureza

Juntamente com a fotossíntese, a fixação de nitrogênio é um dos processos químicos mais essenciais para a vida na Terra. A nitrogenase é o que torna isso possível.

Mas, há 3 bilhões de anos, as comportas do nitrogênio se abriram quando a nitrogenase evoluiu nos primeiros procariontes. A enzima realizou o que nenhum outro processo biológico conseguiu: quebrou a tripla ligação que mantinha o N₂ unido e converteu o gás inerte em amônia, uma substância biologicamente útil.

Durante a maior parte da história da humanidade, a questão premente não era como a nitrogenase funcionava, mas sim como obter a quantidade suficiente do que ela produzia. Até o século XIX, a fonte mais confiável de nitrogênio utilizável era o guano extraído de ilhas na costa do Peru, um recurso tão valioso e raro que levou nações à guerra por ele. Então, em 1909, os químicos alemães Fritz Haber e Carl Bosch desvendaram a fixação industrial de nitrogênio, e a importância prática do problema diminuiu.

A questão científica — entender como a nitrogenase, presente em uma bactéria comum do solo, realiza o que o processo Haber-Bosch exige um forno industrial para fazer — permaneceu em aberto.

Era uma questão importante por si só — e uma que ganharia novo destaque à medida que as pessoas debatessem a melhor maneira de resolvê-la.

Um teste improvável

Um computador clássico processa informações como bits, que assumem um de dois valores: 0 ou 1. Um computador quântico, por sua vez, usa qubits, que podem existir em uma superposição de 0 e 1 simultaneamente e podem se emaranhar uns com os outros de maneiras que não têm análogo clássico. Isso significa que, quando (ou se) um computador quântico de grande escala existir, ele será capaz de explorar muitas soluções possíveis para um problema ao mesmo tempo, em vez de processá-las sequencialmente.

Para certos tipos de problemas com a estrutura matemática adequada, isso promete uma aceleração exponencial em relação a qualquer coisa que uma máquina clássica pudesse alcançar. A questão, desde que a computação quântica decolou como tema de estudo teórico na década de 1990, tem sido quais problemas se qualificam. Um dos domínios mais promissores parece ser a simulação de interações químicas: as interações eletrônicas que governam o comportamento das moléculas são, em sua essência, quânticas, o que sugere que um computador quântico pode ser particularmente adequado para modelá-las.

O status da nitrogenase como um parâmetro de referência informal para computação quântica remonta a uma reunião organizada pela Microsoft em 2011 para explorar aplicações para seu grupo de computação quântica ainda em formação. Chan, que já estudava a nitrogenase há mais de uma década na época, fez uma apresentação sobre a enzima.

Ele não sabe até que ponto essa conversa influenciou os eventos posteriores, mas em 2017, pesquisadores da Microsoft publicaram um artigo nos Anais da Academia Nacional de Ciências argumentando que a complexidade intrincada da nitrogenase a tornava um teste convincente para computadores quânticos.

Na visão de Chan, desde o início, a combinação era estranha. Ele contestou a afirmação, continuando a acreditar que era possível modelar a nitrogenase usando métodos clássicos como aqueles que ele havia desenvolvido ao longo de sua carreira.

Ao longo da década seguinte, ele se dedicaria a provar isso.

Debates sobre o Estado Fundamental

Chan e outros pesquisadores não se propuseram a explicar como a nitrogenase funciona de ponta a ponta. Em vez disso, recorreram a um modelo computacional amplamente utilizado do FeMo-co e fizeram uma pergunta mais preliminar: qual é a sua energia do estado fundamental?

O estado fundamental — a configuração eletrônica de menor energia do FeMo-co — é o ponto de partida para toda a reação. Mas o FeMo-co contém um aglomerado de sete átomos de ferro, cada um com quatro ou cinco elétrons desemparelhados cujos “spins” quânticos podem apontar para cima ou para baixo, cujos orbitais podem se deslocar e cujo comportamento depende do que os elétrons ao seu redor estão fazendo.

Isso torna a medição da energia do estado fundamental do FeMo-co extraordinariamente complexa. Existem mais de 78.000 configurações plausíveis para os elétrons; o estado fundamental é uma superposição, ou uma espécie de combinação ponderada, de todas essas configurações. Em princípio, a equação de Schrödinger descreve como todas essas diferentes configurações contribuem para o estado fundamental e qual deveria ser sua energia total. Mas, na prática, resolver essa equação direta e exatamente para um sistema com tantos elétrons interagindo como o FeMo-co é frequentemente impossível.

Isso é verdade tanto para computadores quânticos quanto para computadores clássicos. Em ambos os casos, é preciso começar com uma aproximação mais simples da estrutura básica do estado fundamental — um palpite fundamentado, geralmente obtido apenas após anos de pesquisa, sobre quais configurações contribuem mais para o estado fundamental.

Então, se você estiver usando um computador clássico, poderá tentar levar em conta progressivamente outras configurações e mostrar que pode ignorar com segurança o grande número de configurações restantes, porque elas não adicionam muito à energia do estado fundamental.

Por outro lado, em teoria, um computador quântico não exigirá que você omita configurações de sua estimativa final. Em vez disso, o computador pode representar seu palpite inicial diretamente como um estado quântico e, em seguida, evoluir esse estado ao longo do tempo até que ele atinja naturalmente a estrutura correta do estado fundamental — permitindo que você calcule a energia com precisão.

Muitos pesquisadores acreditam que os computadores quânticos estão em vantagem nesse aspecto, pois o processo de descartar classicamente configurações insignificantes pode se tornar proibitivamente difícil. Chan e outros, no entanto, discordam. Para começar, eles argumentam que os computadores quânticos ainda enfrentam o mesmo gargalo de precisar de uma estimativa inicial razoável, e não há nenhuma razão óbvia para que os métodos quânticos tenham alguma vantagem em superar esse gargalo. Além disso, as técnicas clássicas têm amadurecido rapidamente.

Mas para Chan, afirmar que os computadores quânticos talvez não fossem necessários, afinal, era “como tentar resistir à maré do oceano”, disse ele.

Selecionando a solução

Desde que recebeu seu doutorado pela Universidade de Cambridge em 2000, Chan vinha desenvolvendo e aprimorando métodos para comprimir estados quânticos complexos, concentrando-se apenas em suas configurações mais importantes. Ele e sua equipe agora esperavam aplicar essas abordagens ao FeMo-co.

Eles usaram duas técnicas diferentes para selecionar as configurações que precisavam analisar. Usando um dos métodos, eles começaram com uma estimativa e ajustaram gradualmente o comportamento de um pequeno número de elétrons. Em seguida, mostraram que ajustar um número maior de elétrons não levava a mudanças significativas de energia, fornecendo-lhes uma definição clara de quais configurações poderiam ser ignoradas e quais não.

O segundo método utilizado foi aquele em que Chan dedicou toda a sua carreira. Consiste em decompor o estado inicial em partes e permitir que apenas uma quantidade limitada de informação fluísse entre essas partes. Em seguida, demonstraram que só precisavam considerar as mudanças nesse fluxo de informação até um determinado limite. “Perceber que a descrição poderia ser alcançada por métodos ‘mais simples’ e explorar ao máximo esses métodos (já que o problema ainda é computacionalmente desafiador) foi a chave”, escreveu Chan em um e-mail.

Ambos os métodos produziram a mesma estimativa de energia para o estado fundamental do FeMo-co (e coincidiram com o que os cientistas haviam observado experimentalmente), dando aos pesquisadores a confiança de que haviam encontrado o verdadeiro estado fundamental.

O debate muda de rumo

Chan espera que os avanços técnicos alcançados por sua equipe possam agora ser estendidos para modelar a enzima nitrogenase completa e sua reação. “Minha esperança é que todas essas pessoas que defendem ‘Precisamos construir um computador quântico para resolver o problema da nitrogenase’ se juntem a esta missão agora que temos um caminho para isso”, disse ele.

Mas chegar do estado fundamental a uma descrição matemática completa da reação será muito mais difícil, envolvendo o cálculo das energias de toda uma sequência de estados químicos intermediários. “Ainda não estamos nem perto de alcançar o objetivo final”, disse Suess. “Ainda descrevemos apenas o estado de repouso. Mas o método é promissor, pois sugere que podemos prosseguir com alguma confiança.”

Também não está claro o que o resultado pode significar para as esperanças dos pesquisadores em relação à computação quântica. Whitfield argumenta que calcular o valor de energia de um único estado fundamental nunca foi o ponto em que se esperava que os computadores quânticos superassem seus equivalentes clássicos. Sua provável vantagem, segundo ele, reside na próxima questão em pauta: modelar como o sistema evolui ao longo do tempo. Isso provavelmente demonstrará a ineficiência dos métodos clássicos — e o quão mais poderosos os computadores quânticos podem ser.

Após anos de debates amistosos com a comunidade da computação quântica, Chan não espera que o novo resultado mude muitas opiniões. Afinal, disse ele, a simulação de química quântica por meio de computadores quânticos ainda é muito promissora: se um computador quântico estivesse disponível amanhã, ele o usaria com prazer. Mas ele espera que o novo resultado de sua equipe ajude a corrigir essa ideia equivocada que os problemas químicos mais difíceis estão simplesmente fora de alcance até que o hardware quântico chegue.

“A ciência se autocorrige”, escreveu ele em um e-mail, “mas, com bastante frequência, as correções não recebem a mesma atenção que a afirmação inicial, porque a área já passou para outras afirmações.”

História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em Key Chemistry Question Answered, No Quantum Computer Required

O conteúdo foi traduzido com o auxílio de ferramentas de Inteligência Artificial e revisado por nossa equipe editorial. Saiba mais em nossa Política de IA.

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