Kenji Ohmori (Istituto di Scienze Molecolari, Istituti Nazionali di Scienze Naturali, Giappone) e un gruppo di collaboratori hanno sviluppato il simulatore più veloce al mondo per la dinamica quantomeccanica di un gran numero di particelle che interagiscono tra loro entro un miliardesimo di secondo.

La dinamica delle interazioni tra un gran numero di elettroni governa una varietà di importanti fenomeni fisici e chimici, inclusa la superconduttività, magnetismo e reazioni chimiche. Un insieme di molte particelle che interagiscono così tra loro è indicato come un "sistema fortemente correlato". Comprendere le proprietà di sistemi fortemente correlati è quindi uno degli obiettivi centrali delle scienze moderne. È estremamente difficile, però, prevedere teoricamente le proprietà di un sistema fortemente correlato anche usando il supercomputer giapponese post-K, il cui completamento è previsto entro il 2020.

Per esempio, il post-K non può nemmeno calcolare l'energia precisa, la proprietà più elementare della materia, quando il numero di particelle nel sistema è superiore a 30. Invece di calcolare con un computer classico come il post-K, un concetto alternativo, un "simulatore quantistico, " è stato proposto, in cui le particelle della meccanica quantistica come gli atomi sono assemblate in un sistema artificiale fortemente correlato le cui proprietà sono note e controllabili. Quest'ultimo viene quindi utilizzato per simulare e comprendere le proprietà di un diverso sistema fortemente correlato le cui proprietà non sono note.

Il team ha ora sviluppato un simulatore quantistico completamente nuovo per la dinamica di un sistema fortemente correlato di oltre 40 atomi entro un miliardesimo di secondo. Ciò è stato realizzato introducendo un nuovo approccio in cui un impulso laser ultracorto con una larghezza di impulso di soli 100 miliardesimi di secondo viene impiegato per controllare un insieme ad alta densità di atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Per di più, sono riusciti a simulare il moto degli elettroni di questo sistema fortemente correlato che viene modulato modificando la forza delle interazioni tra molti atomi dell'insieme.

Questo "simulatore quantistico ultraveloce" dovrebbe servire come strumento di base per studiare l'origine delle proprietà fisiche della materia, incluso il magnetismo e, possibilmente, superconduttività.

Questo risultato sarà pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 16 novembre 2016.