Un simulatore quantistico unico nel suo genere apre le porte a nuove ricerche

Come si diffonde il latte freddo quando lo si versa nel caffè caldo? Anche i supercomputer più veloci non sono in grado di calcolare con precisione queste cose, perché i processi fisici quantistici sottostanti sono estremamente complessi. Nel 1982, il fisico premio Nobel Richard Feynman ha avanzato un suggerimento: invece di utilizzare i computer convenzionali, sarebbe meglio risolvere tali questioni con un computer quantistico in grado di simulare in modo efficiente i processi fisici quantistici - un simulatore quantistico. La visione di Feynman potrebbe presto diventare realtà, poiché lo sviluppo dei computer quantistici sta progredendo rapidamente.

Insieme a ricercatori di Google e di università di cinque Paesi, Andreas Läuchli e Andreas Elben, due fisici teorici del PSI, hanno costruito e testato con successo un nuovo tipo di simulatore quantistico digitale-analogico. Si tratta di una pietra miliare, poiché il simulatore non solo calcola i processi fisici con una precisione senza precedenti. Il loro concetto è anche particolarmente flessibile e può quindi essere applicato a un'ampia gamma di problemi, dalla fisica dello stato solido all'astrofisica. Il loro lavoro è stato pubblicato oggi sulla rinomata rivista scientifica Nature.

Una combinazione di analogico e digitale

Un aspetto centrale del nuovo processore quantistico: i 69 bit quantistici superconduttori (qubit) del chip quantistico sviluppato da Google consentono modalità operative sia digitali che analogiche. I computer quantistici digitali eseguono operazioni utilizzando porte quantistiche universali, simili alle porte logiche dei computer classici. La differenza è che, grazie alla sovrapposizione meccanica quantistica, i qubit possono assumere non solo gli stati 0 e 1, ma anche una varietà di stati intermedi.

Questi computer quantistici puramente digitali sono già molto potenti, ma il loro potenziale come simulatori quantistici è ancora limitato. I simulatori quantistici analogici, invece, si basano sulla simulazione diretta di processi fisici in cui le interazioni tra le particelle sono simulate in modo realistico, ad esempio per studiare le proprietà magnetiche nei solidi. Questi due approcci - digitale e analogico - sono stati combinati con successo per la prima volta nell'esperimento per unire i punti di forza di entrambi i mondi.

I fisici definiscono condizioni iniziali discrete, come l'introduzione di calore in un solido - questa è la modalità digitale. Questo permette di definire lo stato iniziale in modo preciso e flessibile. Nell'analogia di una tazza di caffè, ad esempio, si tratta di una lattiera che versa gocce di latte in modo mirato e controllato in cento punti diversi contemporaneamente. Il processo successivo, in cui il latte viene distribuito nel caffè, corrisponde alla modalità analogica: le interazioni dei qubit simulano le dinamiche fisiche, come la propagazione del calore o la formazione di domini magnetici, così come avvengono nei solidi reali.

"Possiamo osservare il simulatore quantistico in equilibrio termico - o nell'analogia del caffè: come il latte viene distribuito nel caffè e la temperatura viene equalizzata nel processo", dice Andreas Elben, scienziato di ruolo al PSI. "Con il nostro lavoro, dimostriamo che i processori quantistici analogico-digitali superconduttori sono possibili su un chip e sono adatti come simulatore quantistico", sottolinea Andreas Läuchli.

Sulla strada per un simulatore quantistico universale

La termalizzazione - la creazione di un equilibrio termodinamico - è solo una delle tante domande interessanti a cui il nuovo simulatore quantistico può rispondere. Il concetto qui dimostrato apre la strada al simulatore quantistico universale ed è destinato a essere utilizzato in un'ampia gamma di settori diversi della fisica. Questo va oltre le capacità dei precedenti simulatori quantistici analogici, ognuno dei quali era adatto solo a un problema fisico specifico.

Un argomento che può essere studiato con esso è il magnetismo, la specialità di Läuchli. Nel chip quantistico di Google, i qubit sono disposti in un rettangolo e le loro direzioni magnetiche sono strettamente alternate nello stato iniziale. Ma cosa succede se il chip è triangolare? Questo potrebbe sconvolgere l'ordine, perché i qubit non possono disporre il loro orientamento magnetico con la stessa regolarità con cui lo fanno naturalmente. Questo fenomeno è chiamato magnetismo frustrato ed è interessante per i chip dei computer, ad esempio, che non commutano e memorizzano i bit con la carica degli elettroni, ma con i loro spin magnetici. Ciò consente una densità di memorizzazione molto più elevata e una maggiore velocità di calcolo.

Altre applicazioni si aprono nello sviluppo di nuovi materiali, come i superconduttori ad alta temperatura, e persino nei farmaci, che possono essere utilizzati con maggiore precisione e causare meno effetti collaterali. I simulatori quantistici sono richiesti persino in astrofisica. Un esempio è il cosiddetto paradosso dell'informazione. Questo afferma che nella fisica quantistica non si può perdere alcuna informazione. Tuttavia, gli astrofisici ritengono che i buchi neri distruggano effettivamente le informazioni sulla loro formazione: nuovi tipi di simulatori quantistici potrebbero chiarire questo punto.

"Il nostro simulatore quantistico apre le porte a nuove ricerche", promette Andreas Läuchli. Anche se il progetto con Google è stato completato, molte altre domande fisiche attendono lui e il suo team al PSI. Presso il Quantum Computing Hub dell'ETHZ e del PSI, e non solo, vengono sviluppati computer quantistici e simulatori quantistici su diverse piattaforme tecnologiche, tra cui l'utilizzo di ioni intrappolati, qubit superconduttori e atomi Rydberg. Questi sistemi permetteranno presto di indagare su questioni interessanti della fisica quantistica al PSI.

Andreas Läuchli: "Siamo anche una fonte di idee per nuovi esperimenti presso le grandi strutture di ricerca del PSI. E sosteniamo i ricercatori che svolgono i loro esperimenti presso le strutture quando devono interpretare risultati sorprendenti. In futuro utilizzeremo sempre più spesso i simulatori quantistici a questo scopo".