I fisici dell'EPFL propongono un nuovo "simulatore quantistico":un dispositivo basato su laser che può essere utilizzato per studiare un'ampia gamma di sistemi quantistici. studiandolo, i ricercatori hanno scoperto che i fotoni possono comportarsi come dipoli magnetici a temperature prossime allo zero assoluto, seguendo le leggi della meccanica quantistica. Il semplice simulatore può essere utilizzato per comprendere meglio le proprietà di materiali complessi in condizioni così estreme.

Quando soggetto alle leggi della meccanica quantistica, i sistemi costituiti da molte particelle interagenti possono mostrare un comportamento così complesso che la sua descrizione quantitativa sfida le capacità dei computer più potenti del mondo. Nel 1981, il fisico visionario Richard Feynman sosteneva che possiamo simulare un comportamento così complesso usando un apparato artificiale governato dalle stesse leggi quantistiche, quello che è diventato noto come un "simulatore quantistico".

Un esempio di sistema quantistico complesso è quello dei magneti posti a temperature veramente basse. Vicino allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), i materiali magnetici possono subire la cosiddetta "transizione di fase quantistica". Come una transizione di fase convenzionale (ad esempio ghiaccio che si scioglie in acqua, o acqua che evapora in vapore), il sistema passa ancora tra due stati, tranne che vicino al punto di transizione il sistema manifesta entanglement quantistico, la caratteristica più profonda prevista dalla meccanica quantistica. Studiare questo fenomeno in materiali reali è un compito sorprendentemente impegnativo per i fisici sperimentali.

Ma i fisici guidati da Vincenzo Savona all'EPFL hanno ora escogitato un simulatore quantistico che promette di risolvere il problema. "Il simulatore è un semplice dispositivo fotonico che può essere facilmente costruito ed eseguito con le attuali tecniche sperimentali, "dice Riccardo Rota, il postdoc presso il laboratorio di Savona che ha guidato lo studio. "Ma soprattutto, può simulare il complesso comportamento del reale, magneti interagenti a temperature molto basse."

Il simulatore può essere costruito utilizzando circuiti superconduttori, la stessa piattaforma tecnologica utilizzata nei moderni computer quantistici. I circuiti sono accoppiati a campi laser in modo tale da provocare un'efficace interazione tra le particelle luminose (fotoni). "Quando abbiamo studiato il simulatore, abbiamo scoperto che i fotoni si comportavano allo stesso modo dei dipoli magnetici attraverso la transizione di fase quantistica nei materiali reali, " dice Rota. Insomma, ora possiamo usare i fotoni per eseguire un esperimento virtuale sui magneti quantistici invece di dover impostare l'esperimento stesso.

"Siamo teorici, " dice Savona. "Abbiamo avuto l'idea di questo particolare simulatore quantistico e ne abbiamo modellato il comportamento utilizzando le tradizionali simulazioni al computer, che può essere fatto quando il simulatore quantistico si rivolge a un sistema abbastanza piccolo. I nostri risultati dimostrano che il simulatore quantistico che proponiamo è praticabile, e ora siamo in trattative con gruppi sperimentali che vorrebbero effettivamente costruirlo e usarlo."

Comprensibilmente, Rota è entusiasta:"Il nostro simulatore può essere applicato a un'ampia classe di sistemi quantistici, permettendo ai fisici di studiare diversi fenomeni quantistici complessi. È un progresso davvero notevole nello sviluppo delle tecnologie quantistiche".