Nella fisica nucleare, come gran parte della scienza, le teorie dettagliate da sole non sono sempre sufficienti per sbloccare previsioni solide. Ci sono spesso troppi pezzi, interagire in modi complessi, per i ricercatori di seguire la logica di una teoria fino alla sua fine. È uno dei motivi per cui ci sono ancora così tanti misteri in natura, compreso il modo in cui i mattoni fondamentali dell'universo si uniscono e formano stelle e galassie. Lo stesso vale negli esperimenti ad alta energia, in cui particelle come i protoni si scontrano a velocità incredibili per creare condizioni estreme simili a quelle subito dopo il Big Bang.

Fortunatamente, gli scienziati possono spesso utilizzare simulazioni per superare le complessità. Una simulazione rappresenta gli aspetti importanti di un sistema, come un aereo, flusso di traffico di una città o un atomo, come parte di un altro, sistema più accessibile (come un programma per computer o un modello in scala). I ricercatori hanno usato la loro creatività per rendere le simulazioni più economiche, più veloce o più facile da lavorare rispetto ai temi formidabili su cui indagano, come le collisioni di protoni o i buchi neri.

Le simulazioni vanno oltre una questione di convenienza; sono essenziali per affrontare casi che sono sia troppo difficili da osservare direttamente negli esperimenti sia troppo complessi perché gli scienziati possano estrapolare ogni conclusione logica dai principi di base. Diverse scoperte di ricerca, dalla modellazione delle complesse interazioni delle molecole alla base della vita alla previsione delle firme sperimentali che alla fine hanno permesso l'identificazione del bosone di Higgs, sono il risultato dell'uso ingegnoso delle simulazioni.

Ma le simulazioni convenzionali ti portano solo così lontano. In molti casi, una simulazione richiede così tanti calcoli che i migliori computer mai costruiti non possono fare progressi significativi, nemmeno se sei disposto ad aspettare tutta la vita.

Ora, i simulatori quantistici (che sfruttano gli effetti quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement) promettono di far valere la loro potenza su molti problemi che si sono rifiutati di cedere alle simulazioni costruite sui computer classici, compresi i problemi di fisica nucleare. Ma per eseguire qualsiasi simulazione, quantistico o altro, gli scienziati devono prima determinare come rappresentare fedelmente il loro sistema di interesse nel loro simulatore. Devono creare una mappa tra i due.

Il fisico nucleare computazionale Zohreh Davoudi, un assistente professore di fisica presso l'Università del Maryland (UMD), sta collaborando con i ricercatori del JQI per esplorare come le simulazioni quantistiche potrebbero aiutare i fisici nucleari. Stanno lavorando per creare alcune delle prime mappe tra le teorie che descrivono le basi della fisica nucleare e i primi simulatori quantistici e computer quantistici messi insieme nei laboratori.

"Sembra che siamo sul punto di entrare nella prossima fase dell'informatica che sfrutta la meccanica quantistica, " dice Davoudi. "E se gli scienziati nucleari non entrano in questo campo ora, se non iniziamo a spostare i nostri problemi in tale hardware quantistico, potremmo non essere in grado di recuperare in seguito perché l'informatica quantistica si sta evolvendo molto velocemente".

Davoudi e diversi colleghi, tra cui i borsisti JQI Chris Monroe e Mohammad Hafezi, hanno progettato il loro approccio alla creazione di mappe con un occhio alla compatibilità con le tecnologie quantistiche all'orizzonte. In un nuovo documento pubblicato l'8 aprile, 2020 sulla rivista Physical Review Research, descrivono il loro nuovo metodo e come crea nuove opportunità di simulazione da esplorare per i ricercatori.

"Non è ancora chiaro esattamente dove verranno applicati utilmente i computer quantistici, "dice Monroe, che è anche professore di fisica all'UMD e co-fondatore della startup di calcolo quantistico IonQ. "Una strategia è quella di implementarli su problemi basati sulla fisica quantistica. Ci sono molti approcci nella struttura elettronica e nella fisica nucleare che sono così gravosi per i normali computer che i computer quantistici potrebbero essere una via da seguire".

Modelli e controllo

Come primo obiettivo, il team ha messo gli occhi sulle teorie del calibro reticolare. Le teorie di Gauge descrivono un'ampia varietà di fisica, compresa l'intricata danza di quark e gluoni, le particelle fondamentali nella fisica nucleare. Le versioni reticolari delle teorie di gauge semplificano i calcoli limitando tutte le particelle e le loro interazioni a una griglia ordinata, come pezzi su una scacchiera.

Anche con questa semplificazione, i computer moderni possono ancora soffocare durante la simulazione di densi grumi di materia o durante il monitoraggio di come la materia cambia nel tempo. Il team ritiene che i computer quantistici potrebbero superare queste limitazioni e alla fine simulare tipi più impegnativi di teorie di gauge, come la cromodinamica quantistica, che descrive le interazioni forti che legano quark e gluoni in protoni e neutroni e li tengono insieme come nuclei atomici.

Davoudi e i suoi colleghi hanno scelto gli ioni atomici intrappolati, la specialità di Monroe, come sistema fisico per eseguire la loro simulazione. In questi sistemi, ioni, che sono atomi elettricamente carichi, librarsi, ciascuno intrappolato da un campo elettrico o magnetico circostante. Gli scienziati possono progettare questi campi per disporre gli ioni in vari modelli che possono essere utilizzati per memorizzare e trasferire informazioni. Per questa proposta, il team si è concentrato sugli ioni organizzati in linea retta.

I ricercatori usano i laser per controllare ogni ione e le sue interazioni con i vicini, un'abilità essenziale quando si crea una simulazione utile. Gli ioni sono molto più accessibili delle particelle più piccole che incuriosiscono Davoudi. I fisici nucleari possono solo sognare di raggiungere lo stesso livello di controllo sulle interazioni nel cuore degli atomi.

"Prendi un problema su scala femtometrica ed espandilo su scala micron, che aumenta notevolmente il nostro livello di controllo, "dice Hafezi, che è anche professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e il Dipartimento di Fisica dell'UMD. "Immagina di dover sezionare una formica. Ora la formica è allungata fino alla distanza tra Boston e Los Angeles."

Durante la progettazione del loro metodo di creazione di mappe, il team ha esaminato cosa si può fare con i laser standard. Si sono resi conto che la tecnologia attuale consente ai trapper di ioni di installare i laser in un nuovo, modo efficiente che consente il controllo simultaneo di tre diverse interazioni di spin per ogni ione.

"I sistemi a ioni intrappolati sono dotati di una cassetta degli attrezzi per simulare questi problemi, " dice Hafezi. "La loro caratteristica sorprendente è che a volte puoi tornare indietro e progettare più strumenti e aggiungerli alla scatola."

Con questa opportunità in mente, i ricercatori hanno sviluppato una procedura per produrre mappe con due caratteristiche desiderabili. Primo, le mappe massimizzano quanto fedelmente la simulazione della trappola ionica corrisponda a una teoria di gauge reticolare desiderata. Secondo, minimizzano gli errori che si verificano durante la simulazione.

Nella carta, i ricercatori descrivono come questo approccio potrebbe consentire a una stringa unidimensionale di ioni di simulare alcune semplici teorie di gauge reticolari, non solo in una dimensione ma anche in dimensioni superiori. Con questo approccio, il comportamento degli spin ionici può essere adattato e mappato su una varietà di fenomeni che possono essere descritti dalle teorie di gauge reticolari, come la generazione di materia e antimateria dal vuoto.

"Come teorico nucleare, Sono entusiasta di lavorare ulteriormente con teorici e sperimentalisti con esperienza in atomica, molecolare, e fisica ottica e nella tecnologia della trappola ionica per risolvere problemi più complessi, " dice Davoudi. "Ho spiegato l'unicità del mio problema e del mio sistema, e hanno spiegato le caratteristiche e le capacità del loro sistema, poi abbiamo scambiato idee su come realizzare questa mappatura".

Monroe sottolinea che "questo è esattamente ciò che è necessario per il futuro dell'informatica quantistica. Questo 'co-design' di dispositivi su misura per applicazioni specifiche è ciò che rende il campo fresco ed eccitante".

Analogico vs. Digitale

Le simulazioni proposte da Davoudi e dai suoi colleghi sono esempi di simulazioni analogiche, poiché rappresentano direttamente elementi e interazioni in un sistema con quelli di un altro sistema. In genere, i simulatori analogici devono essere progettati per un particolare problema o insieme di problemi. Questo li rende meno versatili dei simulatori digitali, che hanno una serie stabilita di elementi costitutivi discreti che possono essere messi insieme per simulare quasi qualsiasi cosa, dato abbastanza tempo e risorse.

La versatilità delle simulazioni digitali ha cambiato il mondo, ma un sistema analogico ben progettato è spesso meno complesso della sua controparte digitale. Simulazioni analogiche quantistiche accuratamente progettate potrebbero fornire risultati per determinati problemi prima che i computer quantistici possano eseguire in modo affidabile simulazioni digitali. Questo è simile al semplice utilizzo di una galleria del vento invece di programmare un computer per modellare il modo in cui il vento colpisce qualsiasi cosa, da un'oca a un aereo da combattimento sperimentale.

La squadra di Monroe, in collaborazione con il coautore Guido Pagano, un ex ricercatore post-dottorato JQI che ora è assistente professore alla Rice University, sta lavorando per implementare il nuovo approccio analogico entro i prossimi due anni. Il sistema completato dovrebbe essere in grado di simulare una varietà di teorie di gauge reticolari.

Gli autori dicono che questa ricerca è solo l'inizio di una strada più lunga. Poiché le teorie di gauge reticolari sono descritte in modi matematicamente simili ad altri sistemi quantistici, i ricercatori sono ottimisti sul fatto che la loro proposta troverà usi oltre la fisica nucleare, come nella fisica della materia condensata e nella scienza dei materiali. Davoudi sta anche lavorando per sviluppare proposte di simulazione quantistica digitale con Monroe e Norbert Linke, un altro JQI Fellow. Spera che i due progetti rivelino i vantaggi e gli svantaggi di ciascun approccio e forniscano informazioni su come i ricercatori possono affrontare i problemi di fisica nucleare con tutta la potenza dell'informatica quantistica.

"Vogliamo eventualmente simulare teorie di natura più complessa e in particolare la cromodinamica quantistica responsabile della forza forte in natura, "dice Davoudi. "Ma questo potrebbe richiedere di pensare ancora di più fuori dagli schemi."