Física Quântica e Matrix podem recriar-se mutuamente

Baseado em texto de Mile Gu - CQT - 31/03/2012

Os cientistas estão tentando descobrir de quanta informação é necessária para predizer o futuro. E os primeiros resultados começaram a sair.[Imagem: CQT/National University of Singapore] Simulação tipo Matrix No mundo virtual do filme Matrix, não há realmente cidades e nem prédios, que, assim como as colheres e os gatos, são bits no processamento de um programa de simulação rodando em um computador inimaginavelmente poderoso. As vidas daquelas pessoas não estão acontecendo em uma realidade concreta, do tipo Modelo Padrão da física clássica, mas na memória desse supercomputador. Talvez soe como disparate para alguns, mas o fato é que muito das nossas vidas atuais já acontece apenas no mundo virtual, na forma de bits: as músicas que ouvimos, as fotos que olhamos, as mensagens que trocamos, não existem mais em discos, porta-retratos e papéis guardados em envelopes. Tudo está reduzido, ou ampliado, dependendo do ponto de vista, a uma fieira de bits armazenada em uma nuvem computacional de localização incerta, não sabida e, embora não gostemos muito disso, essencialmente volátil. Assim, simular um mundo virtual do tipo Matrix não deve mais soar tão estranho quanto o seria há alguns anos - por exemplo, hoje já existem esforços no sentido de simular a Terra inteira, embora sem os meandros das vidas pessoais. O conceito não difícil de compreender: o que é fundamental em uma simulação do tipo Matrix é a criação de um programa que contenha e seja capaz de simular todas as leis da física, de forma a recriar um mundo como o que os nossos sentidos experimentam. Será necessário então criar interfaces que possam transferir informações de todos os nossos sentidos para o computador, e vice-versa. É claro que é tudo absolutamente especulativo em termos de realização prática - mas não em termos de verificação matemática das possibilidades.

Este é o simulador quântico de processos estocásticos projetado pelos pesquisadores. [Imagem: Gu et al./Nature Communications] Simuladores quânticos E é exatamente isso o que estão fazendo Mile Gu, Elisabeth Rieper e Vlatko Vedral, da Universidade Nacional de Cingapura, juntamente com Karoline Wiesner, da Universidade de Bristol, no Reino Unido. Embora os simuladores computacionais já sejam essenciais para as pesquisas científicas, para o desenvolvimento de novos produtos e materiais, e até para lidar com o mercado financeiro, os cientistas sabem que os computadores clássicos - como esse que você está usando agora - não são páreo para uma simulação da vida real. Assim, eles já estão fazendo planos para os computadores quânticos. E a equipe agora descobriu uma nova maneira pela qual os computadores baseados na física quântica poderão superar o desempenho dos computadores clássicos - sim, porque, se ainda não conseguimos fazer programas para computadores comuns sem erros, nem mesmo sabemos como ou quem irá programar os computadores quânticos. O trabalho agora divulgado implica que uma simulação da realidade do tipo Matrix exigiria menos memória de um computador quântico do que de um computador clássico. Mas o melhor está por vir.

Os simuladores quânticos já estão se aproximando do uso prático - aqui estão ilustrados três tipos deles. [Imagem: Riken Research] O futuro e a teoria quântica Os resultados deixam uma lacuna impressionante, mostrando que pode haver uma teoria mais profunda e mais geral abaixo da teoria quântica. E a pesquisa tem ainda outro aspecto para mexer com a imaginação: a descoberta emerge da consideração fundamental de quanta informação é necessária para predizer o futuro. Com um pouco de imaginação, é possível dizer que, em uma simulação quântica da realidade, do tipo Matrix, parece haver espaço para algum "Escolhido" entrar na simulação e fazer tudo de modo mais eficiente. Mas, para fazer isso, é preciso seguir os passos do Arquiteto, e tentar descobrir como ele projetou o mundo. Processos estocásticos O grupo analisou a simulação de processos estocásticos, processos onde existem vários resultados possíveis para um determinado procedimento, cada qual com uma probabilidade calculável. Muitos fenômenos, dos movimentos do mercado de ações até a difusão dos gases, podem ser modelados como processos estocásticos. Os detalhes de como simular esses processos têm mantido os pesquisadores ocupados há muito tempo. A quantidade mínima de informação necessária para simular um determinado processo estocástico é um importante tema de estudo no campo da teoria da complexidade, sendo conhecido na literatura científica como "complexidade estatística". Os pesquisadores sabem como calcular a quantidade de informações inerentemente transferidas em qualquer processo estocástico. Teoricamente, isso define a menor quantidade de informação necessária para simular o processo. Na realidade, porém, as simulações clássicas de processos estocásticos requerem mais armazenamento do que esses cálculos indicam.

No simulador quântico aberto, um íon interage com o sistema quântico e, ao mesmo tempo, estabelece um contato controlado com o ambiente. [Imagem: Harald Ritsch] Além da física quântica O que o quarteto agora demonstrou é que os simuladores quânticos precisam armazenar menos informações do que os simuladores clássicos, mesmo os simuladores clássicos ideais. Isto porque as simulações quânticas conseguem codificar informações sobre as probabilidades em uma "superposição", onde um bit quântico de informação pode representar mais do que um bit clássico. Mas então veio a surpresa. Os cálculos revelaram que as simulações quânticas ainda não são tão eficientes quanto poderiam ser: elas ainda têm que armazenar mais informações do que o processo parece precisar. Isto sugere que a teoria quântica pode ainda não estar "otimizada". "O que é fascinante para nós é que ainda há uma lacuna," comentou Vedral. "Isso faz você pensar, talvez aqui esteja uma maneira de pensar sobre uma teoria além da física quântica." Se assim for, então, antes de pensar em programar um computador quântico para criar sua própria Matrix, será necessário descobrir essas leis da natureza mais profundas, para que então elas possam ser simuladas em um computador, e lhe dê o senso de realidade que você espera. Afinal, se você não compreende todos os meandros da realidade, não pode se candidatar a ser Arquiteto. Bibliografia: Quantum mechanics can reduce the complexity of classical models Mile Gu, Karoline Wiesner, Elisabeth Rieper, Vlatko Vedral Nature Communications Vol.: 3, 762 DOI: 10.1038/ncomms1761