uragani, ingorghi, sviluppo demografico - per prevedere l'effetto di tali eventi, sono necessarie simulazioni al computer. Molti processi in natura, però, sono così complicati che i computer convenzionali falliscono. I simulatori quantistici possono risolvere questo problema. Uno dei fenomeni di base in natura è l'interazione tra luce e materia nella fotosintesi. I fisici del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno ora compiuto un grande passo avanti verso la comprensione della meccanica quantistica del metabolismo delle piante. Questo è riportato in Comunicazioni sulla natura rivista.

"Un simulatore quantistico è la fase preliminare di un computer quantistico. Contrariamente a un computer quantistico, però, non è in grado di fare calcoli, ma è progettato per la soluzione di un certo problema, " afferma Jochen Braumüller del Physikalisches Institut (Istituto di Fisica) del KIT. Poiché l'elevata efficienza della fotosintesi non può essere compresa completamente con le teorie fisiche classiche, ricercatori come Braumüller usano un modello quantistico. Insieme agli scienziati dell'Institut für Theoretische Festkörperphysik (TFP, Istituto di Fisica Teorica dello Stato Solido), ha dimostrato per la prima volta in un esperimento che le simulazioni quantistiche dell'interazione tra luce e materia funzionano in linea di principio.

L'interazione tra luce e materia nella fotosintesi può essere descritta come un'interazione di fotoni di luce con gli atomi della materia a livello microscopico. L'elevata efficienza di questo meccanismo di quasi il 100% suggerisce che è soggetto alle regole della fisica quantistica, che è difficile da simulare con computer classici e semplici bit. Nel calcolo standard, le informazioni sono rappresentate da uno switch che può memorizzare le informazioni come zero o uno. bit quantici, al contrario, sono in grado di assumere contemporaneamente gli stati zero e uno secondo le regole della fisica quantistica. Quindi, i computer quantistici oi simulatori quantistici più semplici possono risolvere il problema in modo più rapido ed efficiente.

Braumüller e i suoi coautori hanno ora sviluppato uno dei primi componenti funzionanti per un simulatore quantistico di interazione luce-materia:i circuiti superconduttori come bit quantistici rappresentano gli atomi, mentre i risonatori elettromagnetici rappresentano i fotoni. I fisici sono riusciti a produrre un effetto con il bit quantico e il risonatore assumendo contemporaneamente due stati opposti. "Qubit e risonatore sono accoppiati, " dice Michael Marthaler di TFP di KIT. "Questo è anche il motivo della capacità di calcolo esponenzialmente migliorata rispetto ai computer classici." Il rispetto di questo principio fondamentale della meccanica quantistica ha dimostrato la fattibilità della simulazione quantistica analogica con circuiti superconduttori, dicono i ricercatori.

Come passo successivo, hanno in programma di estendere il loro sistema tramite molti altri elementi costitutivi. "La simulazione classica di questo sistema esteso richiederebbe più tempo dell'età dell'universo, "dice Martin Weides, che dirige un gruppo di lavoro presso il Physikalisches Institut del KIT dal 2015. Se la simulazione della meccanica quantistica pianificata ha successo, questa sarà una "pietra miliare sulla strada verso un computer quantistico universale".