Simulatori quantistici, che sono computer quantistici per scopi speciali, aiuterà i ricercatori a identificare materiali con proprietà nuove e utili. Questo allettante futuro ha appena fatto un passo avanti grazie a una collaborazione tra Google e ricercatori delle università della California, Singapore e Grecia.

Il team internazionale ha utilizzato i fotoni nel chip quantistico di Google per simulare il modello sorprendente e bellissimo della "farfalla di Hofstadter", una struttura frattale che caratterizza il comportamento degli elettroni in forti campi magnetici. I risultati, pubblicato il 1 dicembre in Scienza , mostra come i simulatori quantistici stanno iniziando a mantenere le loro promesse come potenti strumenti.

"Abbiamo sempre avuto l'idea di poter usare i fotoni per simulare e comprendere meglio la natura. La nostra collaborazione lo mette in pratica, " afferma Dimitris Angelakis del Center for Quantum Technologies, Università Nazionale di Singapore.

L'impresa è stata eseguita sulla catena di nove bit quantistici superconduttori (qubit) di Google dai collaboratori di Google e dell'Università della California Santa Barbara negli Stati Uniti, l'Università Nazionale di Singapore e l'Università Tecnica di Creta, Grecia. Mostra come un simulatore quantistico può riprodurre tutti i tipi di comportamento quantistico complesso esotico. Ciò consentirà ai ricercatori di simulare - e quindi ingegnerizzare - materiali con proprietà di conduzione elettronica esotiche, potenzialmente aprendo una gamma di nuove applicazioni.

"Con chip simili a quello usato in questo esperimento, siamo interessati a studiare problemi al centro della materia condensata, meccanica statistica, e dinamiche di non equilibrio, " dice Pedram Roushan di Google, un ingegnere di elettronica quantistica.

La farfalla di Hofstadter è apparsa per la prima volta nel 1976, nei calcoli di elettroni in un materiale bidimensionale in un forte campo magnetico. La farfalla mappa le divisioni e gli spostamenti dei livelli di energia dell'elettrone con i cambiamenti nell'intensità del campo. In questa simulazione quantistica, i fotoni hanno assunto il ruolo degli elettroni mentre le porte sui qubit hanno fornito un analogo del campo magnetico. Il motivo a farfalla è emerso dalle misurazioni della squadra.

L'esperimento si basava sull'invenzione del team di una nuova tecnica di spettroscopia che chiamano "colpisci e ascolta". La tecnica mappa i livelli di energia delle particelle luminose, fotoni a microonde, memorizzato nei nove qubit.

"Il nostro metodo è come suonare una campana. Il suono che produce è una sovrapposizione di tutte le armoniche di base. Colpendolo in posizioni diverse un paio di volte e ascoltando la melodia abbastanza a lungo, si possono risolvere le armoniche nascoste. Facciamo lo stesso con il chip quantistico, colpendolo con fotoni e poi seguendone l'evoluzione nel tempo, " spiega Angelakis. Il team ha visto la farfalla colpendo i qubit con un fotone alla volta.

Il team ha anche colpito i qubit con due fotoni contemporaneamente, e ha reso i qubit disordinati - programmando una certa casualità nelle loro proprietà - al fine di studiare il complesso fenomeno noto come "localizzazione a molti corpi". Questa è una transizione di fase quantistica, simile al cambiamento di fase che si verifica quando l'acqua si congela in ghiaccio, che determina se i materiali sono conduttori o isolanti Il team ha trovato precursori della localizzazione a molti corpi applicando la loro tecnica "colpisci e ascolta" a diversi regimi di disordine e interazione.

Affrontare questo tipo di fenomeno può fornire un'altra strada per progettare nuovi materiali utili con proprietà di conduzione esotiche. Però, i fisici in generale faticano a simulare scenari così complessi. Negli anni '50 era stato previsto che il disordine in un materiale potesse bloccare il movimento degli elettroni attraverso di esso. Si chiama localizzazione. Ma se le particelle possono interagire tra loro, il problema diventa "a molti corpi" e molto più difficile da modellare.

Per soli due fotoni su nove qubit, il team potrebbe simulare su computer convenzionali quale comportamento aspettarsi, trovando un buon accordo con i loro risultati sperimentali. Ma aggiungi solo qualche altro qubit e il problema diventa intrattabile per le macchine classiche.

Ciò rende allettante per gli scienziati la prospettiva di simulatori quantistici più grandi:potrebbero affrontare problemi oltre la portata dei supercomputer di oggi.

"Comprendere le fasi quantistiche è ancora uno dei misteri irrisolti della fisica", afferma Roushan.