Un team di ricercatori del Regno Unito e della Russia ha dimostrato con successo che un tipo di "polvere magica" che combina luce e materia può essere utilizzato per risolvere problemi complessi e potrebbe eventualmente superare le capacità anche dei supercomputer più potenti.

I ricercatori, di Cambridge, Università di Southampton e Cardiff nel Regno Unito e Skolkovo Institute of Science and Technology in Russia, hanno utilizzato particelle quantistiche note come polaritoni - che sono metà luce e metà materia - per agire come una sorta di "faro" che mostra la strada per la soluzione più semplice a problemi complessi. Questo design completamente nuovo potrebbe costituire la base di un nuovo tipo di computer in grado di risolvere problemi attualmente irrisolvibili, in diversi campi come la biologia, finanza o viaggi nello spazio. I risultati sono riportati sulla rivista Materiali della natura .

Il nostro progresso tecnologico, dalla modellazione del ripiegamento delle proteine ​​e del comportamento dei mercati finanziari all'ideazione di nuovi materiali e all'invio di missioni completamente automatizzate nello spazio profondo, dipende dalla nostra capacità di trovare la soluzione ottimale di una formulazione matematica di un problema:il numero minimo assoluto di passaggi che ci vuole per risolvere quel problema.

La ricerca di una soluzione ottimale è analoga alla ricerca del punto più basso in un terreno montuoso con molte valli, trincee, e gocce. Un escursionista può scendere e pensare di aver raggiunto il punto più basso dell'intero paesaggio, ma potrebbe esserci un salto più profondo proprio dietro la prossima montagna. Una tale ricerca può sembrare scoraggiante in un terreno naturale, ma immagina la sua complessità nello spazio ad alta dimensione. "Questo è esattamente il problema da affrontare quando la funzione obiettivo da minimizzare rappresenta un problema reale con molte incognite, parametri, e vincoli, " ha affermato la professoressa Natalia Berloff del Dipartimento di matematica applicata e fisica teorica di Cambridge e dello Skolkovo Institute of Science and Technology, e il primo autore dell'articolo.

I moderni supercomputer possono occuparsi di un piccolo sottoinsieme di tali problemi solo quando la dimensione della funzione da minimizzare è piccola o quando la struttura sottostante del problema consente di trovare rapidamente la soluzione ottimale anche per una funzione di grande dimensionalità. Anche un ipotetico computer quantistico, se realizzato, offre al massimo l'accelerazione quadratica per la ricerca "a forza bruta" del minimo globale.

Berloff e i suoi colleghi hanno affrontato il problema da una prospettiva inaspettata:e se invece di spostarsi lungo il terreno montuoso alla ricerca del punto più basso, si riempie il paesaggio di una polvere magica che brilla solo al livello più profondo, diventando un marker facilmente rilevabile della soluzione?

"Alcuni anni fa la nostra proposta puramente teorica su come farlo è stata respinta da tre riviste scientifiche, " ha detto Berloff. "Un arbitro ha detto, 'Chi sarebbe abbastanza pazzo da provare a implementare questo?!' Quindi abbiamo dovuto farlo da soli, e ora abbiamo dimostrato la nostra proposta con dati sperimentali."

I loro polaritoni "polvere magica" vengono creati facendo brillare un laser su strati sovrapposti di atomi selezionati come gallio, arsenico, indio, e alluminio. Gli elettroni in questi strati assorbono ed emettono luce di un colore specifico. I polaritoni sono diecimila volte più leggeri degli elettroni e possono raggiungere densità sufficienti per formare un nuovo stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein, dove le fasi quantistiche dei polaritoni si sincronizzano e creano un singolo oggetto quantistico macroscopico che può essere rilevato attraverso misurazioni di fotoluminescenza.

La domanda successiva che i ricercatori hanno dovuto affrontare era come creare un potenziale paesaggio che corrisponda alla funzione da ridurre al minimo e forzare i polaritoni a condensarsi nel punto più basso. Per fare questo, il gruppo si è concentrato su un particolare tipo di problema di ottimizzazione, ma un tipo abbastanza generale da poter essere correlato a qualsiasi altro problema difficile, vale a dire la minimizzazione del modello XY che è uno dei modelli più fondamentali della meccanica statistica. Gli autori hanno dimostrato di poter creare polaritoni ai vertici di un grafo arbitrario:quando i polaritoni si condensano, le fasi quantistiche dei polaritoni si dispongono in una configurazione che corrisponde al minimo assoluto della funzione obiettivo.

"Siamo solo all'inizio dell'esplorazione del potenziale dei grafici polaritoni per la risoluzione di problemi complessi, ", ha affermato il co-autore, il professor Pavlos Lagoudakis, Responsabile dell'Hybrid Photonics Lab presso l'Università di Southampton e lo Skolkovo Institute of Science and Technology, dove sono stati eseguiti gli esperimenti. "Attualmente stiamo ampliando il nostro dispositivo a centinaia di nodi, testando la sua fondamentale potenza di calcolo. L'obiettivo finale è un simulatore quantistico di microchip che operi in condizioni ambientali".