La scienza e l'industria IT nutrono grandi speranze per l'informatica quantistica, ma le descrizioni delle possibili applicazioni tendono ad essere vaghe. I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ora presentato un esempio concreto che dimostra ciò che i computer quantistici saranno effettivamente in grado di ottenere in futuro.

Gli specialisti si aspettano niente di meno che una rivoluzione tecnologica dai computer quantistici, che sperano consentirà presto loro di risolvere problemi attualmente troppo complessi per i supercomputer classici. Le aree di applicazione comunemente discusse includono la crittografia e la decrittografia dei dati, così come problemi speciali nel campo della fisica, chimica quantistica e ricerca sui materiali.

Ma quando si tratta di domande concrete a cui solo i computer quantistici possono rispondere, gli esperti sono rimasti relativamente vaghi. I ricercatori dell'ETH di Zurigo e di Microsoft Research presentano ora per la prima volta un'applicazione specifica nella rivista scientifica PNAS :valutazione di una reazione chimica complessa. Sulla base di questo esempio, gli scienziati dimostrano che i computer quantistici possono effettivamente fornire risultati scientificamente rilevanti.

Un team di ricercatori guidato dai professori dell'ETH Markus Reiher e Matthias Troyer ha utilizzato simulazioni per dimostrare come si potesse calcolare una reazione chimica complessa con l'aiuto di un computer quantistico. Per realizzare questo, il computer quantistico deve essere di "dimensioni moderate", dice Matthias Troyer, che è professore di fisica computazionale all'ETH di Zurigo e attualmente lavora per Microsoft. Il meccanismo di questa reazione sarebbe quasi impossibile da valutare con un solo supercomputer classico, specialmente se i risultati devono essere sufficientemente precisi.

Uno degli enzimi più complessi

I ricercatori hanno scelto come esempio per il loro studio una reazione biochimica particolarmente complessa:grazie a uno speciale enzima noto come nitrogenasi, alcuni microrganismi sono in grado di scindere le molecole di azoto atmosferico per creare composti chimici con singoli atomi di azoto. Non è ancora noto come funzioni esattamente la reazione della nitrogenasi. "Questo è uno dei più grandi misteri irrisolti della chimica, "dice Markus Reiher, Professore di Chimica Teorica all'ETH di Zurigo.

I computer oggi disponibili sono in grado di calcolare in modo abbastanza preciso il comportamento di molecole semplici. Però, questo è quasi impossibile per l'enzima nitrogenasi e il suo centro attivo, che è semplicemente troppo complesso, spiega Reiher.

In tale contesto, la complessità è un riflesso di quanti elettroni interagiscono tra loro all'interno della molecola su distanze relativamente lunghe. Più elettroni un ricercatore deve prendere in considerazione, più sofisticati sono i calcoli. "I metodi esistenti e i supercomputer classici possono essere utilizzati per valutare molecole con al massimo circa 50 elettroni che interagiscono fortemente, " dice Reiher. Tuttavia, c'è un numero significativamente maggiore di tali elettroni al centro attivo di un enzima nitrogenasi. Perché con i computer classici lo sforzo richiesto per valutare una molecola raddoppia con ogni elettrone in più, è necessaria una quantità irrealistica di potenza di calcolo.

Un'altra architettura del computer

Come dimostrato dai ricercatori dell'ETH, ipotetici computer quantistici con solo 100-200 bit quantistici (qubit) saranno potenzialmente in grado di calcolare sottoproblemi complessi entro pochi giorni. I risultati di questi calcoli potrebbero quindi essere utilizzati per determinare passo dopo passo il meccanismo di reazione della nitrogenasi.

Il fatto che i computer quantistici siano in grado di risolvere compiti così impegnativi è in parte il risultato del fatto che sono strutturati in modo diverso dai computer classici. Invece di richiedere il doppio dei bit per valutare ogni elettrone aggiuntivo, i computer quantistici hanno semplicemente bisogno di un qubit in più.

Però, resta da vedere quando saranno disponibili computer quantistici "moderatamente grandi". I computer quantistici sperimentali attualmente esistenti utilizzano rispettivamente nell'ordine di 20 qubit rudimentali. Ci vorranno almeno altri cinque anni, o più probabilmente dieci, prima di avere computer quantistici con processori di oltre 100 qubit di alta qualità, stima Reiher.

Produzione di massa e networking

I ricercatori sottolineano il fatto che i computer quantistici non possono gestire tutti i compiti, quindi serviranno come supplemento ai computer classici, piuttosto che sostituirli. "Il futuro sarà modellato dall'interazione tra computer classici e computer quantistici, "dice Troyer.

Per quanto riguarda la reazione della nitrogenasi, i computer quantistici saranno in grado di calcolare come gli elettroni sono distribuiti all'interno di una specifica struttura molecolare. Però, i computer classici dovranno ancora dire ai computer quantistici quali strutture sono di particolare interesse e dovrebbero quindi essere calcolate. "I computer quantistici devono essere pensati più come un coprocessore in grado di assumere compiti particolari dai computer classici, consentendo loro di diventare più efficienti, "dice Reiher.

Spiegare il meccanismo della reazione nitrogenasi richiederà anche più di semplici informazioni sulla distribuzione degli elettroni in una singola struttura molecolare; infatti, questa distribuzione deve essere determinata in migliaia di strutture. Ogni calcolo richiede diversi giorni. "Affinché i computer quantistici possano essere utili per risolvere questo tipo di problemi, dovranno prima essere prodotti in serie, consentendo così che i calcoli abbiano luogo su più computer contemporaneamente, "dice Troyer.