"Pensa a cosa possiamo fare se insegniamo a un computer quantistico a fare meccanica statistica, " ha proposto Michael McGuigan, uno scienziato computazionale con la Computational Science Initiative presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Al tempo, McGuigan stava riflettendo su Ludwig Boltzmann e su come il famoso fisico dovette difendere con forza le sue teorie sulla meccanica statistica. Boltzmann, che ha offerto le sue idee su come le proprietà atomiche determinano le proprietà fisiche della materia alla fine del XIX secolo, aveva un ostacolo straordinariamente grande:all'epoca non era nemmeno stata dimostrata l'esistenza degli atomi. La fatica e lo scoraggiamento derivanti dal fatto che i suoi coetanei non accettassero le sue opinioni sugli atomi e sulla fisica perseguitarono per sempre Boltzmann.

Oggi, fattore di Boltzmann, che calcola la probabilità che un sistema di particelle possa trovarsi in uno specifico stato energetico relativo all'energia zero, è ampiamente utilizzato in fisica. Per esempio, Il fattore di Boltzmann viene utilizzato per eseguire calcoli sui più grandi supercomputer del mondo per studiare il comportamento degli atomi, molecole, e la "zuppa" di quark scoperta utilizzando strutture come il Relativistic Heavy Ion Collider situato al Brookhaven Lab e il Large Hadron Collider al CERN.

Sebbene ci sia voluto un cambiamento epocale per dimostrare che Boltzmann aveva ragione, gli informatici ora sono sul precipizio di una nuova ondata di computer, fare il salto dai supercomputer e dai byte ai sistemi quantistici e ai bit quantistici (o "qubit"). Questi computer quantistici hanno il potenziale per sbloccare alcuni dei concetti più misteriosi della fisica. E, stranamente, questi cosiddetti misteri possono sembrare un po' familiari a molti.

Tempo e temperatura forniti da...

Sebbene la maggior parte delle persone conosca bene le nozioni di tempo e temperatura e le controlli più volte al giorno, si scopre che questi concetti di base rimangono enigmatici in fisica.

Il fattore di Boltzmann aiuta a modellare gli effetti della temperatura che possono essere utilizzati per prevedere e controllare il comportamento atomico e le proprietà fisiche, e funzionano benissimo sui computer classici. Però, su un computer quantistico, le porte logiche quantistiche utilizzate nel calcolo (simili alle porte logiche presenti nei circuiti digitali) sono rappresentate da numeri complessi, in contrasto con il fattore di Boltzmann, che per definizione, è reale.

Questo problema ha offerto a McGuigan e al suo studente/coautore Raffaele Miceli un problema interessante da affrontare utilizzando un banco di prova di calcolo quantistico fornito tramite l'accordo di accesso di Brookhaven Lab ai sistemi di calcolo quantistico universali di IBM, attraverso l'IBM Q Hub presso l'Oak Ridge National Laboratory. La collaborazione consente a Brookhaven (tra gli altri in rete) l'accesso ai sistemi quantistici commerciali di IBM, compresi i sistemi a 20 e 53 qubit per gli esperimenti.

"Su un computer quantistico, c'è un altro modo per simulare la temperatura finita chiamata dinamica del campo termico, che è in grado di calcolare quantità che dipendono sia dal tempo che dalla temperatura, " ha spiegato McGuigan. "In questo formalismo, costruisci un doppio del sistema, chiamato il termo doppio, quindi procedere con il calcolo su un computer quantistico in quanto il calcolo può essere rappresentato in termini di porte logiche quantistiche con numeri complessi.

"Alla fine, puoi sommare i doppi stati e generare un fattore di Boltzmann efficace per i calcoli a temperatura finita, " ha continuato. "Ci sono anche alcuni vantaggi del formalismo. Per esempio, puoi studiare gli effetti della temperatura finita e come il sistema si evolve in tempo reale man mano che il tempo e la temperatura vengono separati utilizzando questo algoritmo quantistico. Uno svantaggio è che richiede il doppio dei qubit rispetto a un calcolo della temperatura zero per gestire i doppi stati".

Miceli e McGuigan hanno dimostrato come implementare l'algoritmo quantistico per la dinamica dei campi termici per la temperatura finita su un sistema semplice che coinvolge poche particelle e hanno trovato un perfetto accordo con il calcolo classico.

Il loro lavoro ha utilizzato risorse sia dell'informatica classica che quantistica. Secondo McGuigan, hanno utilizzato il software di calcolo quantistico open source Qiskit che ha permesso loro di creare il loro algoritmo nel cloud. Qiskit ha quindi trapiantato quel codice in impulsi che comunicano con un computer quantistico in tempo reale (in questo caso, un dispositivo IBM Q). Gli ottimizzatori che eseguono algoritmi classici consentono ulteriormente l'avanti e indietro tra i sistemi tradizionali e quantistici.

"Il nostro esperimento mostra che i sistemi quantistici hanno il vantaggio di rappresentare esattamente i calcoli in tempo reale piuttosto che ruotare dal tempo immaginario al tempo reale per trovare un risultato, " ha spiegato McGuigan. "Offre un quadro più vero di come si evolve un sistema. Possiamo mappare il problema su una simulazione quantistica che lo lasci evolvere".

Nel Cosmo

La cosmologia quantistica è un'altra area in cui McGuigan prevede che le nuove opzioni di calcolo quantistico avranno un impatto profondo. Nonostante la moltitudine di progressi nella comprensione dell'universo resi possibili dai moderni supercomputer, alcuni sistemi fisici rimangono fuori dalla loro portata. La complessità matematica, che di solito include la contabilità per la teoria della gravità quantistica completa, è semplicemente troppo grande per ottenere soluzioni esatte. Però, un vero computer quantistico, completo della capacità di sfruttare l'entanglement e la sovrapposizione, amplierebbe le opzioni per nuovi, algoritmi più precisi.

"I sistemi quantistici possono realizzare integrali di percorso in tempo reale, dandoci accesso a simulazioni su larga scala dell'universo, "Ha detto McGuigan. "Puoi visualizzare la funzione d'onda calcolata dell'universo mentre si evolve in avanti senza prima formulare una teoria completa della gravità quantistica".

Ancora, utilizzando il pacchetto Qiskit e l'accesso all'hardware IBM Q, McGuigan e il suo collaboratore Charles Kocher, uno studente alla Brown University, impiegato un mix di metodi computazionali classici e VQE per eseguire vari esperimenti, incluso uno che esaminava i sistemi con gravità accoppiata a un campo bosonico chiamato inflatone, un'ipotetica particella che gioca un ruolo importante nella moderna cosmologia. Il loro lavoro ha mostrato che il VQE ibrido ha prodotto funzioni d'onda coerenti con l'equazione di Wheeler-Dewitt, che combina matematicamente la meccanica quantistica con la teoria della relatività di Albert Einstein.

Ispirazione su una scala in espansione

Mentre i primi esperimenti quantistici stanno portando a diverse prospettive delle basi della fisica, Si prevede che l'informatica quantistica contribuirà a importanti progressi nella risoluzione di problemi di vecchia data che incidono sulle missioni del DOE. Tra loro, può essere uno strumento per svelare nuovi materiali, risolvere le sfide energetiche, o aggiungendo a comprensioni fondamentali (come tempo e temperatura) in fisica e cosmologia delle alte energie. A sua volta, questi cambiamenti potrebbero riversarsi in aree più facilmente riconoscibili.

Per esempio, gli sviluppatori di farmaci hanno bisogno di una meccanica quantistica più realizzata per comprendere la struttura delle molecole. I computer quantistici possono consentire scoperte offrendo simulazioni della meccanica quantistica completa che fornirebbero un punto di vista veramente pratico.

"Sembra esserci sempre interesse per le basi dietro la fisica, "Ha detto McGuigan. "È stato di interesse per il pubblico per millenni. Proprio adesso, la combinazione di competenze teoriche e tecnologia effettiva sta convergendo con l'informatica quantistica. Ancora, è ancora un'impresa molto umana."

Per adesso, l'uso di computer quantistici a breve termine per risolvere piccoli problemi di campi termici o per dare una nuova occhiata a un vecchio universo sta ispirando i ricercatori a potenziare i loro algoritmi mentre fanno cose più grandi nella scienza.

"Ci incoraggiamo a fare cose diverse. Lo facciamo tutti, " ha detto McGuigan. "Altri gruppi in tutto il mondo, come il Perimeter Institute in Canada e l'Universiteit van Amsterdam nei Paesi Bassi, stanno già estendendo l'algoritmo quantistico a doppio campo termico a sistemi ancora più grandi. Con l'emergere di grandi computer quantistici a breve termine da 50-100 qubit, l'obiettivo è eseguire simulazioni a temperatura finita su sistemi realistici che coinvolgono molte particelle. È eccitante avere un vero computer quantistico per testare queste idee e problemi per i quali una volta non avevamo soluzioni. Meccanica quantistica senza compromessi:questo è ciò di cui si occupa la scienza".