È stata scoperta una nuova tecnica per studiare le proprietà di molecole e materiali su un simulatore quantistico.

La nuova tecnica rivoluzionaria, dal fisico Oleksandr Kyriienko dell'Università di Exeter, potrebbe aprire la strada a un nuovo percorso verso la prossima generazione di calcolo quantistico.

Gli attuali metodi di calcolo quantistico per studiare le proprietà di molecole e materiali su una scala così ridotta si basano su un computer quantistico tollerante ai guasti ideale o su tecniche variazionali.

Questo nuovo approccio proposto, si basa invece sull'implementazione dell'evoluzione quantistica che sarebbe prontamente disponibile in molti sistemi. L'approccio è favorevole per le moderne configurazioni quantistiche all'avanguardia, in particolare compresi i reticoli di atomi freddi, e può servire come software per future applicazioni nella scienza dei materiali.

Lo studio potrebbe aprire la strada allo studio delle proprietà di sistemi fortemente correlati, compreso l'ambito modello Fermi-Hubbard, che può potenzialmente offrire la spiegazione della superconduttività ad alta temperatura.

La ricerca è pubblicata sulla nuova rivista Nature npj Informazioni quantistiche .

Dott. Kyriienko, parte del dipartimento di fisica dell'Università di Exeter e autore principale ha dichiarato:"Finora ho visto che la capacità di eseguire la dinamica quantistica può essere utilizzata per trovare le proprietà dello stato fondamentale.

"La domanda, però, rimane:possiamo usarlo per studiare gli stati eccitati? Possiamo ideare altri potenti algoritmi basati sui principi? L'esperienza dice che questo è possibile, e sarà oggetto di sforzi futuri".

L'idea della simulazione quantistica è stata proposta dal premio Nobel Richard Feynman nel 1982, dove ha suggerito che i modelli quantistici possono essere simulati in modo più naturale se utilizziamo un sistema quantistico ben controllato e intrinsecamente.

Sviluppando su questa idea, è emerso un ramo separato della scienza dell'informazione quantistica, basato sulla nozione di computer quantistico, un dispositivo quantistico universale in cui sequenze digitali di operazioni (porte quantistiche) consentono di risolvere determinati problemi con un ridimensionamento superiore dell'operazione richiesta rispetto ai computer classici convenzionali.

Però, l'intenzione originale di Feynman, che fu poi chiamata simulazione quantistica analogica, finora è stato utilizzato principalmente per osservare le proprietà dinamiche dei sistemi quantistici, mentre preclude trovare lo stato fondamentale associato a vari compiti di calcolo.

Nel nuovo studio, Oleksandr Kyriienko ha dimostrato che è possibile sfruttare l'evoluzione sequenziale del sistema con misure di sovrapposizione della funzione d'onda, tale che lo studio efficace delle proprietà dello stato fondamentale diventa possibile con simulatori quantistici analogici.

La tecnica principale che consente di raggiungere lo stato fondamentale è la rappresentazione efficace di operatori non unitari che "distilla" lo stato fondamentale eseguendo la somma degli operatori di evoluzione unitari per tempi di evoluzione differenti.

È importante sottolineare che lo studio suggerisce che la dinamica del sistema quantistico è una risorsa preziosa per il calcolo, poiché la capacità di propagare il sistema abbinata a misure di sovrapposizione può dare accesso allo spettro a bassa temperatura di un sistema quantistico che ne definisce il comportamento.

I risultati stabiliscono il quadro con la simulazione quantistica basata sulla dinamica utilizzando simulatori quantistici programmabili, e fungere da software quantistico per molti sistemi reticolari quantistici ben controllati in cui un numero elevato di atomi (~ 100) preclude la simulazione classica.

Questo a sua volta può rivoluzionare la nostra comprensione dei complessi sistemi di materia condensata e della chimica.