I fisici dell'Università di Innsbruck stanno proponendo un nuovo modello che potrebbe dimostrare la supremazia dei computer quantistici sui supercomputer classici nella risoluzione dei problemi di ottimizzazione. In un recente documento, dimostrano che solo poche particelle quantistiche sarebbero sufficienti per risolvere il problema matematicamente difficile delle N-regine negli scacchi anche per grandi scacchiere.

Il problema della regina è un compito matematico, che aveva già occupato il grande matematico Carl Friedrich Gauss, ma per la quale sorprendentemente non ha trovato la giusta soluzione. La sfida qui è come disporre otto regine su una scacchiera classica con 8 x 8 quadrati in modo che due regine non si minaccino a vicenda. Matematicamente, è relativamente facile determinare che ci sono 92 modi diversi per disporre le regine. Su una scacchiera con 25 x 25 quadrati ci sono già più di 2 miliardi di possibilità. Il calcolo di questo numero da solo ha richiesto un totale di 53 anni di tempo CPU.

Il compito diventa ancora più arduo se alcune regine sono già in campo e certe diagonali potrebbero non essere occupate. Recentemente è stato dimostrato che con queste ulteriori restrizioni il problema con 21 regine non può più essere risolto dai classici algoritmi matematici in tempi ragionevoli. "Mi sono imbattuto in questo argomento per caso e ho pensato che la fisica quantistica potesse davvero sfruttare i suoi vantaggi qui, " afferma Wolfgang Lechner del Dipartimento di Fisica Teorica dell'Università di Innsbruck e dell'Istituto di ottica quantistica e informazione quantistica dell'Accademia austriaca delle scienze. Insieme a Helmut Ritsch e agli studenti di dottorato Valentin Torggler e Philipp Aumann, Lechner ha sviluppato una scacchiera quantistica su cui il puzzle delle regine potrebbe essere risolto sperimentalmente con l'aiuto della fisica quantistica.

Dagli atomi alle regine degli scacchi

"Un reticolo ottico di raggi laser in cui sono posti i singoli atomi può essere usato come una scacchiera, " spiega Helmut Ritsch, che è anche membro del Dipartimento di Fisica Teorica di Innsbruck. "Regolando l'interazione tra gli atomi, possiamo fare regine degli scacchi dagli atomi, che si comportano secondo le regole degli scacchi, cioè evitarsi l'un l'altro in tutte le direzioni del tabellone." Questa repulsione delle particelle è generata con l'aiuto di laser, che vengono applicati lungo le direzioni di movimento. Tramite un risonatore ottico, due specchi sopra e sotto il reticolo ottico, questa interazione viene ulteriormente intensificata e diventa quindi efficace su distanze molto maggiori.

"Si potrebbe anche giocare a questo gioco con palle da biliardo altrettanto ripugnanti, " dice Ritsch. "Ma poiché ci sono così tante possibilità, ci vorrebbe molto, molto tempo. È quindi fondamentale che gli atomi si raffreddino molto forte e che le loro proprietà quantistiche abbiano effetto. Perché poi si comportano come onde e possono testare molte possibilità contemporaneamente. Quindi diventa subito evidente se esiste una soluzione valida secondo le regole degli scacchi per le condizioni date."

La supremazia quantistica all'orizzonte

La risposta alla domanda se esiste una soluzione sotto le restrizioni date può essere letta molto facilmente dalla luce emessa dal risonatore. Ma la disposizione specifica delle regine atomiche poteva essere determinata solo dalla microscopia atomica, un metodo recentemente applicato con successo in esperimenti correlati.

Le simulazioni su computer classici suggeriscono fortemente che l'esperimento progettato dai teorici di Innsbruck porterebbe a un risultato molto più veloce di qualsiasi algoritmo matematico su un computer classico. "Ciò consentirebbe per la prima volta di dimostrare chiaramente la supremazia dei computer quantistici per il calcolo di alcuni problemi di ottimizzazione, " riassume Wolfgang Lechner. "Il controllo di poche decine di atomi è già una pratica standard in laboratorio, ecco perché l'attuazione di questa idea potrebbe presto diventare realtà".