Una nuova potente forma di calcolo potrebbe aiutare gli scienziati a progettare nuovi tipi di materiali per la nanoelettronica, consentire alle compagnie aeree di risolvere complessi problemi logistici per garantire voli puntuali, e affrontare gli ingorghi per mantenere le auto che scorrono più liberamente sulle strade trafficate.

Mentre i moderni computer digitali sono in grado di eseguire impressionanti prodezze di calcolo, ci sono alcuni problemi con cui lottano anche i supercomputer più avanzati. Ma i ricercatori credono che i nuovi computer che attingono alla potenza della meccanica quantistica, che governano lo strano comportamento di particelle microscopiche come i bosoni, fermioni, e chiunque potrebbe affrontare questi problemi in pochi secondi.

Costruire computer quantistici per scopi generici si è dimostrato eccezionalmente difficile e attualmente, solo una manciata di macchine costose sono in fase di sviluppo.

Alcuni scienziati stanno invece adottando un altro approccio costruendo sistemi informatici noti come simulatori quantistici analogici nel tentativo di trovare una scorciatoia per alcune delle risposte che i computer quantistici promettono di fornire.

Questi simulatori sono progettati per esplorare proprietà specifiche della fisica quantistica modellando il comportamento delle particelle più piccole dell'universo. Questo a sua volta può essere applicato per risolvere problemi complessi nel mondo più ampio che sono attualmente impossibili da risolvere o che potrebbero richiedere una vita per farlo utilizzando i computer classici.

"L'analogia che mi piace molto è che i simulatori quantistici analogici sono un po' come una galleria del vento, ' ha detto il professor Andrew Daley, un fisico alla Strathclyde University, UK, e membro del progetto PASQuanS. 'Un paio di decenni fa era impossibile simulare il flusso d'aria su un computer, quindi si costruiva un modello in scala e lo si metteva in una galleria del vento.

"Ma con la simulazione quantistica analogica, il ridimensionamento va dall'altra parte, piuttosto che creare una versione più piccola, ne stai facendo uno più grande. Questo lo rende più controllabile e quindi è più facile apprendere i dettagli di come qualcosa potrebbe funzionare.'

Aggiustato in proporzione

Riunendo un team di ricercatori provenienti da tutta Europa, il progetto sta tentando di costruire alcuni dei più potenti simulatori quantistici analogici fino ad oggi utilizzando atomi e ioni come modelli in scala di particelle subatomiche.

Per esempio, atomi ultrafreddi, che sono stati raffreddati a pochi gradi sopra lo zero assoluto, può essere sospeso in un reticolo formato da luce laser per simulare come gli elettroni potrebbero muoversi in un cristallo. Finora, simulatori quantistici all'avanguardia utilizzano circa 100 atomi ultrafreddi o fino a 20 ioni nei loro modelli, ma il team spera di potenziare i propri sistemi per averne più di 1, 000 atomi e fino a 50 ioni.

Ciò potrebbe spingere la potenza di questi simulatori ben oltre ciò che è possibile con il calcolo classico in una scala temporale molto più breve di quanto sarebbe possibile costruendo un computer quantistico generale, dice il prof. Daley.

Una sfida chiave è rendere i simulatori più controllabili e programmabili. I ricercatori coinvolti nel progetto stanno sviluppando nuove tecniche per il controllo degli atomi, come intrappolarli con "pinzette" laser, eccitando atomi selezionati in stati di alta energia o spostandoli in modo che interagiscano in modi diversi.

'Il bit programmabile è tutto sul rendere questi sistemi altamente controllabili, in modo ben calibrato, a livello dei singoli siti reticolari, singoli ioni o singoli atomi, ' ha detto il professor Daley.

Mentre questi simulatori potrebbero aiutare i fisici a risolvere domande impegnative sul comportamento delle particelle nei sistemi quantistici, possono anche essere usati per affrontare problemi più ampi del mondo reale, pure.

Algoritmi di ricottura quantistica, Per esempio, sfruttare un capriccio della fisica quantistica per cui le particelle subatomiche, gli atomi e le molecole più grandi possono trovare il percorso di minor resistenza quando cambiano gli stati energetici. Questo può essere paragonato al tentativo di far rotolare una palla su per una collina per raggiungere una valle più profonda dall'altra parte:se alla palla non viene data una spinta sufficiente, non avrà l'energia per raggiungere la vetta della collina e semplicemente rotolerà all'indietro. particelle quantistiche, a confronto, possono aggirare i picchi di energia che devono superare semplicemente scavalcandoli.

Ottimizzazione

Questa capacità di trovare più facilmente stati a bassa energia significa che la ricottura quantistica può essere utilizzata per trovare modi per ottimizzare reti di traffico complicate o catene logistiche contorte.

"Possiamo prendere un problema da qualche altra parte e mapparlo sull'interazione tra gli atomi o gli ioni, ' ha detto il professor Daley. "Poi possiamo iniziare a fare domande per trovare la configurazione di energia più bassa possibile."

Grandi aziende come Airbus, Totale, Bosch, Electricité de France (EDF) e Siemens hanno già espresso interesse a esplorare questo approccio. I ricercatori delle aziende stanno lavorando con il progetto nel tentativo di trovare potenziali applicazioni che possano essere applicate alle loro operazioni commerciali.

In aereo, Per esempio, potrebbe essere utilizzato per garantire che gli aerei e l'equipaggio delle compagnie aeree siano nel posto giusto affinché i voli funzionino senza intoppi.

Potrebbe anche essere utilizzato per modellare rapidamente il modo migliore per deviare il traffico su strade trafficate per evitare la congestione e ridurre l'inquinamento.

"Abbiamo creato un forum per gli utenti finali per ottenere idee specifiche sul tipo di problemi che possono essere implementati su piattaforme di simulazione quantistica analogica, ' ha detto il professor Daley. "Si tratta di grandi problemi particolarmente interessanti per l'industria che potremmo poi imitare sui nostri sistemi".

La potenza dei simulatori quantistici va oltre la ricerca di modi per ottimizzare i processi. Il prof. Daley e i suoi colleghi affermano che una delle prime applicazioni dei loro simulatori quantistici sarà quella di aiutare a progettare nuovi materiali, anche per la nanoelettronica e i superconduttori.

Questo è qualcosa che il progetto Qombs sta perseguendo anche creando una simulazione quantistica analogica per progettare una nuova generazione di materiale in grado di produrre laser a infrarossi altamente sintonizzabili. La lunghezza d'onda, o colore, dei laser moderni è determinata dagli elementi nel diodo utilizzato per generare la luce.

Ma coltivando cristalli che contengono diverse concentrazioni di metalli come l'alluminio, gallio e arsenico a strati, i ricercatori dietro il progetto vogliono creare materiali semiconduttori in grado di produrre luce laser a lunghezze d'onda che altrimenti sarebbero impossibili. Questi dispositivi sono noti come laser a cascata quantica.

laser

"Stiamo utilizzando simulazioni quantistiche per ottimizzare e ottenere nuove funzionalità che miglioreranno le prestazioni oggi possibili con i laser a cascata quantistica, ' ha detto il dottor Francesco Cappelli, ricercatore presso l'Istituto Nazionale di Ottica di Firenze, Italia, e un membro del team di Qombs.

Simulando come gli elettroni e i fotoni potrebbero comportarsi in diverse strutture e concentrazioni di metalli, il team spera di controllare meglio la lunghezza d'onda della luce prodotta dai dispositivi.

In caso di successo, potrebbe portare a dispositivi in ​​grado di produrre luce con lunghezze d'onda estremamente lunghe che si estendono nel medio e lontano infrarosso, qualcosa che è attualmente irraggiungibile.

'Questi potrebbero essere usati nella comunicazione, poiché la luce non viene assorbita dai gas nell'atmosfera a queste lunghezze d'onda, ' ha detto il dottor Cappelli. "Non solo l'atmosfera è trasparente, ma anche la dispersione dovuta all'umidità e alla polvere è ridotta rispetto ai laser visibili.'

La sintonizzazione dei laser su lunghezze d'onda specifiche potrebbe anche consentire loro di essere utilizzati nei sensori per rilevare gas specifici, come inquinanti o altre sostanze nocive.

Un laser a cascata quantistica sintonizzato per emettere luce con l'esatta lunghezza d'onda assorbita dal biossido di azoto, Per esempio, potrebbe essere utilizzato per misurare con precisione i livelli di gas nelle aree urbane.

"Progettare cristalli semiconduttori con questo tipo di proprietà non sarebbe mai possibile sui computer classici, ' ha detto il dottor Capelli.

Il potere dell'informatica quantistica

Nei computer tradizionali, le informazioni sono contenute all'interno di cifre binarie, o bit, che contengono un singolo valore di 1 o 0.

Nei sistemi quantistici, le particelle subatomiche possono esistere non solo negli stati binari 1 o 0, ma contengono più combinazioni di 1 e 0 contemporaneamente per formare un "qubit". Poiché un qubit può essere 1, 0, o 1 e 0 tutti in una volta, significa che molti più calcoli possono essere eseguiti contemporaneamente.

Ancora più stranamente, coppie di qubit possono anche diventare entangled in modo che quando lo stato di uno viene modificato, l'altro cambia istantaneamente con esso, anche se sono separati da grandi distanze. Questo misterioso fenomeno aumenta in modo esponenziale la capacità di macinare numeri di una macchina quantistica.