Con un coprocessore quantistico nel cloud, fisici di Innsbruck, Austria, aprire la porta alla simulazione di problemi precedentemente irrisolvibili in chimica, ricerca sui materiali o fisica delle alte energie. I gruppi di ricerca guidati da Rainer Blatt e Peter Zoller riportano sulla rivista Natura come hanno simulato i fenomeni della fisica delle particelle su 20 bit quantistici e come il simulatore quantistico ha autoverificato il risultato per la prima volta.

Molti scienziati stanno attualmente lavorando per studiare come sfruttare il vantaggio quantistico su hardware già disponibile oggi. Tre anni fa, i fisici hanno prima simulato la formazione spontanea di una coppia di particelle elementari con un computer quantistico digitale presso l'Università di Innsbruck. A causa del tasso di errore, però, simulazioni più complesse richiederebbero un gran numero di bit quantistici che non sono ancora disponibili nei computer quantistici di oggi. Anche la simulazione analogica dei sistemi quantistici in un computer quantistico ha limiti ristretti. Utilizzando un nuovo metodo, ricercatori intorno a Christian Kokail, Christine Maier e Rick van Bijnen dell'Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) dell'Accademia austriaca delle scienze hanno ora superato questi limiti. Usano un computer quantistico a trappola ionica programmabile con 20 bit quantistici come coprocessore quantistico, in cui vengono esternalizzati i calcoli della meccanica quantistica che raggiungono i limiti dei computer classici. "Utilizziamo le migliori caratteristiche di entrambe le tecnologie, " spiega il fisico sperimentale Christine Maier. "Il simulatore quantistico si occupa dei problemi quantistici complessi dal punto di vista computazionale e il computer classico risolve i compiti rimanenti".

Toolbox per modellatori quantistici

Gli scienziati usano il metodo variazionale noto dalla fisica teorica, ma applicalo al loro esperimento quantistico. "Il vantaggio di questo metodo risiede nel fatto che possiamo utilizzare il simulatore quantistico come una risorsa quantistica indipendente dal problema in esame, " spiega Rick van Bijnen. "In questo modo possiamo simulare problemi molto più complessi." Un semplice confronto mostra la differenza:un simulatore quantistico analogico è come una casa di bambola, rappresenta la realtà. Il simulatore quantistico variazionale programmabile, d'altra parte, offre singoli elementi costitutivi con i quali è possibile costruire molte case diverse. Nei simulatori quantistici, questi elementi costitutivi sono porte di entanglement e rotazioni a spin singolo. Con un computer classico, questo set di manopole viene sintonizzato fino a raggiungere lo stato quantico previsto. Per questo i fisici hanno sviluppato un sofisticato algoritmo di ottimizzazione che in circa 100, 000 richieste del coprocessore quantistico da parte del computer classico portano al risultato. Accoppiato con cicli di misurazione estremamente veloci dell'esperimento quantistico, il simulatore di IQOQI Innsbruck diventa enormemente potente. Per la prima volta, i fisici hanno simulato la creazione e la distruzione spontanea di coppie di particelle elementari nel vuoto su 20 bit quantistici. Poiché il nuovo metodo è molto efficiente, può essere utilizzato anche su simulatori quantistici ancora più grandi. I ricercatori di Innsbruck hanno in programma di costruire un simulatore quantistico con un massimo di 50 ioni nel prossimo futuro. Ciò apre prospettive interessanti per ulteriori indagini su modelli a stato solido e problemi di fisica delle alte energie.

Autocontrollo integrato

Un problema precedentemente irrisolto nelle simulazioni quantistiche complesse è la verifica dei risultati della simulazione. "Tali calcoli possono difficilmente o per niente essere verificati utilizzando i computer classici. Quindi, come possiamo verificare se il sistema quantistico fornisce il risultato giusto, " si chiede il fisico teorico Christian Kokail. "Abbiamo risolto questo problema per la prima volta effettuando misurazioni aggiuntive nel sistema quantistico. In base ai risultati, la macchina quantistica valuta la qualità della simulazione, " spiega Kokail. Tale meccanismo di verifica è il prerequisito per simulazioni quantistiche ancora più complesse, perché il numero necessario di bit quantistici aumenta bruscamente. "Possiamo ancora testare la simulazione su 20 bit quantistici su un computer classico, ma con simulazioni più complesse questo semplicemente non è più possibile, " dice Rick van Bijnen. "Nel nostro studio, l'esperimento quantistico è stato persino più veloce della simulazione di controllo sul PC. Alla fine, abbiamo dovuto toglierlo dalla corsa per non rallentare l'esperimento, "dice il fisico.