Un gruppo internazionale di ricercatori ha realizzato la prima dimostrazione multi-qubit al mondo di un calcolo di chimica quantistica eseguito su un sistema di ioni intrappolati, una delle piattaforme hardware leader nella corsa allo sviluppo di un computer quantistico universale.

La ricerca, guidato dal fisico dell'Università di Sydney, il dottor Cornelius Hempel, esplora un percorso promettente per lo sviluppo di modi efficaci per modellare legami e reazioni chimici utilizzando computer quantistici. Viene pubblicato oggi nella prestigiosa Revisione fisica X dell'American Physical Society.

"Anche i più grandi supercomputer stanno lottando per modellare accuratamente qualsiasi cosa tranne la chimica di base. I computer quantistici che simulano la natura, però, sbloccare un modo completamente nuovo di intendere la materia. Ci forniranno un nuovo strumento per risolvere i problemi nella scienza dei materiali, medicina e chimica industriale mediante simulazioni."

Con l'informatica quantistica ancora agli inizi, non è chiaro esattamente quali problemi questi dispositivi saranno più efficaci nel risolvere, ma la maggior parte degli esperti concorda sul fatto che la chimica quantistica sarà una delle prime "killer app" di questa tecnologia emergente.

La chimica quantistica è la scienza che consente di comprendere i complicati legami e le reazioni delle molecole utilizzando la meccanica quantistica. Le "parti mobili" di qualsiasi cosa tranne i processi chimici più semplici sono al di là della capacità dei supercomputer più grandi e veloci.

Modellando e comprendendo questi processi utilizzando computer quantistici, gli scienziati si aspettano di sbloccare percorsi a bassa energia per le reazioni chimiche, permettendo la progettazione di nuovi catalizzatori. Ciò avrà enormi implicazioni per le industrie, come la produzione di fertilizzanti.

Altre possibili applicazioni includono lo sviluppo di celle solari organiche e batterie migliori attraverso materiali migliorati e l'utilizzo di nuove intuizioni per progettare farmaci personalizzati.

Lavorando con i colleghi dell'Istituto per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica di Innsbruck, Austria, Il Dr. Hempel ha utilizzato solo quattro qubit su un dispositivo da 20 qubit per eseguire algoritmi per simulare i legami energetici dell'idrogeno molecolare e dell'idruro di litio.

Queste molecole relativamente semplici vengono scelte in quanto sono ben comprese e possono essere simulate utilizzando computer classici. Ciò consente agli scienziati di verificare i risultati forniti dai computer quantistici in fase di sviluppo.

Il Dr. Hempel ha dichiarato:"Questa è una fase importante dello sviluppo di questa tecnologia in quanto ci consente di stabilire parametri di riferimento, cercare gli errori e pianificare i miglioramenti necessari."

Invece di puntare alla simulazione più accurata o più grande fino ad oggi, Il lavoro del Dr. Hempel si è concentrato su cosa può andare storto in un promettente algoritmo ibrido quantistico classico noto come eigensolver quantistico variazionale o VQE.

Esaminando diversi modi per codificare il problema di chimica, i ricercatori sono alla ricerca di modi per sopprimere gli errori che si verificano nei computer quantistici imperfetti di oggi e ostacolano l'utilità a breve termine di quelle macchine.

La soppressione degli errori è al centro della ricerca condotta nel Quantum Control Laboratory dell'Università di Sydney, guidato dal professor Michael Biercuk, che ha recentemente lanciato la prima start-up quantistica privata in Australia, Q-CTRL. Dottor Hempel, che ha fatto gli esperimenti mentre era all'Università di Innsbruck, ora spera di sfruttare l'esperienza di Sydney per migliorare ciò che può essere realizzato con questo tipo di simulazioni.

La carta, pubblicato oggi sulla rivista leader Revisione fisica X , è stato scritto insieme al professor Rainer Blatt di Innsbruck, un pioniere dell'informatica quantistica, e l'ex professore di Harvard Alán Aspuru-Guzik, che da allora si è trasferito all'Università di Toronto.

Professor Blatt, dall'IQOQI di Innsbruck, ha dichiarato:"La chimica quantistica è un esempio in cui i vantaggi di un computer quantistico diventeranno presto evidenti nelle applicazioni pratiche".

Capo del dominio della scienza quantistica del Nano Institute dell'Università di Sydney, Dott. Ivan Kassal, ha dichiarato:"Questo lavoro è una notevole implementazione di uno degli approcci più promettenti alla chimica quantistica, dimostrando il suo coraggio su un vero processore di informazioni quantistiche."

Ha detto che la decisione del Dr. Hempel di trasferirsi all'Università di Sydney nel 2016 è stata un'eccellente aggiunta al forte team quantistico del campus. "La chimica teorica e la scienza dei materiali sono punti di forza in questa università e saranno potenziati da queste ultime tecniche di calcolo quantistico, " Egli ha detto.