Cientistas fazem descoberta inovadora ao entender padrões e estruturas de turbulência em fluidos

Cientistas deram um salto significativo na compreensão da turbulência, um fenômeno caótico observado em sistemas naturais, como água em movimento, correntes oceânicas, fluxo sanguíneo e até mesmo nuvens de tempestade.

Por mais de 200 anos, os físicos têm lutado para simular e prever com precisão a turbulência, que envolve movimentos complexos de fluidos formando grandes vórtices giratórios que se quebram em vórtices menores.

No entanto, um novo método inspirado na computação quântica pode mudar isso.

Abordagem inspirada em quântica para entender o comportamento de fluidos complexos

In a study published on January 29 in Science Advances, an international team of scientists unveiled a novel approach to simulating turbulence that takes advantage of quantum computing principles.

Essa descoberta é crucial porque modelar com precisão fluxos turbulentos pode trazer benefícios amplos, desde a melhoria de projetos de aeronaves e carros até o aprimoramento da previsão do tempo e até mesmo o avanço de dispositivos médicos, como corações artificiais.

O autor principal do estudo, Nik Gourianov, físico da Universidade de Oxford, explicou que, embora as simulações tradicionais de turbulência se baseiem em métodos deterministas — o que significa que, dadas condições específicas, elas sempre produzem o mesmo resultado —, a nova pesquisa introduz uma abordagem probabilística.

O que diferencia este trabalho

Este método leva em consideração as flutuações naturais e variações aleatórias dentro de fluxos turbulentos.

O que diferencia este trabalho é o uso de algoritmos inspirados em computação quântica.

Os computadores quânticos processam informações de maneiras diferentes dos computadores clássicos.

Enquanto os computadores tradicionais usam bits (0 ou 1), os computadores quânticos utilizam bits quânticos, ou qubits , que podem existir em vários estados simultaneamente.

Isso permite que os cientistas simulem turbulência em uma fração do tempo que normalmente levaria com um supercomputador.

A equipe de pesquisa conseguiu concluir simulações em horas que levariam dias usando algoritmos clássicos.

James Beattie, pesquisador pós-doutoral da Universidade de Princeton, elogiou o novo método por sua capacidade de reduzir o uso da memória e acelerar significativamente os cálculos.

Este avanço é especialmente importante para simulações de fluidos, que podem envolver variáveis complexas.

Beattie observou que a abordagem da equipe poderia fazer com que tais simulações funcionassem em hardware mais acessível, até mesmo em um laptop.

Apesar deste progresso, os autores do estudo reconhecem que ainda há muito mais a descobrir.

O desafio de simular turbulência está na sua natureza multi-escala, o que significa que os fluxos turbulentos podem abranger uma enorme gama de tamanhos, de escalas microscópicas a vastos fenômenos cósmicos.

Modelar com precisão essas escalas variadas em uma simulação continua sendo um problema difícil, que requer memória e computação substanciais.

Beattie enfatizou que entender como diferentes escalas interagem é essencial para resolver o quebra-cabeça da turbulência.

A equipe de Gourianov fez progressos impressionantes, mas os especialistas concordam que a solução do problema de turbulência está longe de ser completa.

Embora essa nova abordagem reduza significativamente a complexidade computacional, ela não aborda completamente como vórtices de tamanhos diferentes em fluxos turbulentos se relacionam entre si.

O próximo passo na pesquisa sobre turbulência envolverá o desenvolvimento de novos algoritmos e sistemas de computação que possam lidar com esses desafios de forma mais eficaz.

A turbulência há muito é considerada um dos problemas mais difíceis da física.

Apesar de décadas de pesquisa, uma solução completa continua fora do alcance.

No entanto, as últimas descobertas de Gourianov e sua equipe nos aproximam um pouco mais de desvendar as complexidades da turbulência.