Già oggi si usano i computer quantistici

Sono ancora in corso intense ricerche sui computer quantistici privi di errori. Tuttavia, gli oggetti quantistici utilizzati possono già essere impiegati per le simulazioni scientifiche. "L'idea centrale è quella di affrontare un problema di calcolo in modo diverso, cioè imitando direttamente i processi quantistici stessi invece di calcolarli passo dopo passo", spiega Cornelius Hempel, responsabile del Laboratory for Quantum Computing with Ion Traps del PSI.

Un simile approccio potrebbe essere utile al laser a elettroni liberi a raggi X SwissFEL. Qui, i processi chimici ultraveloci e le proprietà quantistiche delle molecole coinvolte possono essere studiati in modo più dettagliato che mai. Tuttavia, sono necessari strumenti computazionali adeguati per ottimizzare queste possibilità e comprendere i risultati.

"Quando studiamo il comportamento delle molecole durante una reazione chimica, dobbiamo considerare non solo il comportamento dei singoli elettroni degli atomi coinvolti, ma anche i movimenti e le vibrazioni dei loro nuclei, costituiti da protoni e neutroni", spiega Hempel. "Le simulazioni al computer spesso si concentrano solo sugli elettroni, e anche in questo caso raggiungono rapidamente i loro limiti. Se si aggiunge il nucleo atomico, falliscono quasi subito e per la maggior parte delle molecole non è nemmeno possibile".

La soluzione di Hempel è una tecnica nota come simulazione quantistica analogica. Questa tecnica prevede che i ricercatori visualizzino un problema che non hanno ancora compreso utilizzando un sistema quantistico ben controllato che già conoscono. "Poiché stiamo eseguendo il processo quantistico su un computer quantistico, è molto più accessibile rispetto alla reazione chimica reale", afferma Hempel.

100 miliardi di volte più lento che in natura

Hempel ha ottenuto un primo successo in questa direzione con il suo ex team dell'Università di Sydney. Utilizzando un computer quantistico che calcola con ioni intrappolati, i ricercatori sono riusciti a ricostruire per la prima volta la parte essenziale di una reazione chimica quantistica estremamente veloce.

Mentre lavorava come project manager all'Università di Sydney, Hempel e il chimico Ivan Kassal svilupparono un programma di ricerca per simulare i fenomeni quantistici che si verificano nelle reazioni chimiche. L'obiettivo era quello di effettuare questa simulazione sul prototipo di computer quantistico che il suo team stava costruendo. Il successo dello studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Chemistry.

Nel loro studio, i ricercatori si sono concentrati su un fenomeno molto specifico: le cosiddette "intersezioni coniche". Durante una reazione fotochimica, l'energia viene trasferita tra le molecole alla velocità della luce. Si creano così zone di scambio tra i diversi stati energetici di una molecola, note come intersezioni coniche - un nome che deriva dalla sovrapposizione a forma di imbuto o di cono delle superfici di potenziale attorno alle quali avvengono le reazioni. Le intersezioni coniche sono note in tutta la chimica e servono come "imbuti energetici" essenziali tra gli stati molecolari di una reazione.

Dagli anni Cinquanta, i ricercatori hanno lavorato per osservare direttamente tali intersezioni nella dinamica chimica. Tuttavia, visti i periodi di tempo estremamente brevi in cui avvengono, si tratta di un compito estremamente impegnativo: i processi si svolgono nell'arco di femtosecondi - un milionesimo di miliardesimo di secondo.

Per osservare il comportamento di un pacchetto di onde nell'ambiente di un'intersezione conica simulata, i ricercatori hanno utilizzato un singolo ione, che è stato controllato e misurato con una sequenza complessa e precisamente sintonizzata di impulsi laser. Infine, il modello matematico che descrive l'intersezione conica è stato trasferito al sistema ionico. Lo ione è stato quindi in grado di svilupparsi secondo la molecola simulata intorno all'intersezione così costruita.

In questo modo, i ricercatori sono riusciti a rallentare l'intero processo di un fattore di 100 miliardi, rendendo possibile misurare per la prima volta le interazioni energetiche attese in queste strutture.

Prova di fattibilità con applicazione pratica

Questi risultati, così come le future simulazioni più complesse, potrebbero contribuire a una comprensione più precisa di come le molecole cambiano in periodi di tempo estremamente brevi. Ciò potrebbe a sua volta aiutare a descrivere meglio i processi in cui tali molecole sono coinvolte, ad esempio la formazione dello smog, la riduzione dell'ozono o lo sviluppo di materiali migliori per l'utilizzo dell'energia solare. Questi processi svolgono un ruolo centrale anche in biologia. La visione umana, ad esempio, si basa su una reazione fotochimica ultraveloce che avviene attraverso un'intersezione conica.

D'altra parte, il risultato mostra anche ciò che i computer quantistici sono già in grado di fare oggi. "Il nostro esperimento è fondamentalmente una prova di concetto", spiega Cornelius Hempel. "Mostra un approccio alternativo alla soluzione di un problema in chimica utilizzando i computer quantistici in un modo che è già fattibile oggi - anche se non ancora su una scala tale da permettere qualcosa di complicato come la modellazione della visione umana".

Simulazioni quantistiche in prossimità di grandi strutture di ricerca

Hempel e il suo team stanno attualmente ricercando lo sviluppo di computer quantistici altamente scalabili e privi di errori e intendono sviluppare ulteriormente questo studio di fattibilità iniziale ed effettuare simulazioni quantistiche al PSI nel prossimo futuro con i colleghi che lavorano su altre piattaforme di computer quantistici: "Il nostro metodo funziona non solo con gli ioni intrappolati, ma anche con altri tipi di computer quantistici che sono anch'essi oggetto di ricerca al PSI". Nell'ambito del Laboratory for Nano and Quantum Technologies, Hempel e i suoi colleghi stanno ora cercando di far progredire queste tecnologie per integrare gli esperimenti nelle strutture di ricerca su larga scala del PSI.

Presso SwissFEL, ad esempio, i biologi strutturali studiano l'intersezione conica alla base della visione umana. I brevissimi lampi di raggi X generati da SwissFEL possono essere utilizzati per studiare i processi estremamente veloci in cui i fotoni vengono assorbiti e convertiti in segnali biologici. Hempel è fiducioso che la stretta collaborazione con i gruppi di ricerca nei campi della biologia e della chimica del PSI, che stanno lavorando sperimentalmente sui recettori biologici in cui le intersezioni coniche giocano un ruolo chiave, sarà di grande utilità.

"Abbiamo dimostrato che il calcolo quantistico analogico funziona per semplici reazioni chimiche. Il prossimo passo sarà quello di aggiornare le nostre apparecchiature in modo da poter simulare molecole più complesse come i fotorecettori. Il contributo dei nostri colleghi ci permetterà di far progredire le nostre simulazioni fino al punto in cui potranno aiutare a interpretare i dati sperimentali. Sarebbe davvero entusiasmante", aggiunge.