Dato un elenco di città e le distanze tra ciascuna coppia di città, come si determina il percorso più breve che visita ogni città esattamente una volta e ritorna alla posizione di partenza? Questo famoso problema è chiamato "problema del commesso viaggiatore" ed è un esempio di problema di ottimizzazione combinatoria. Risolvere questi problemi utilizzando computer convenzionali può richiedere molto tempo, e per questo scopo sono stati creati speciali dispositivi chiamati 'ricottura quantistica'.

I ricottori quantistici sono progettati per trovare lo stato energetico più basso (o stato fondamentale) di quello che è noto come modello di Ising. Tali modelli sono rappresentazioni astratte di un sistema quantomeccanico che coinvolge spin interagenti che sono anche influenzati da campi magnetici esterni. Alla fine degli anni '90, gli scienziati hanno scoperto che i problemi di ottimizzazione combinatoria potrebbero essere formulati come modelli di Ising, che a sua volta potrebbe essere fisicamente implementato nei ricottori quantistici. Per ottenere la soluzione di un problema di ottimizzazione combinatoria, si deve semplicemente osservare lo stato fondamentale raggiunto nel suo ricottore quantistico associato dopo poco tempo.

Una delle maggiori sfide in questo processo è la trasformazione del modello Ising logico in un modello Ising fisicamente implementabile adatto per la ricottura quantistica. Qualche volta, i valori numerici delle interazioni di spin o dei campi magnetici esterni richiedono un numero di bit per rappresentarli (larghezza bit) troppo grande per un sistema fisico. Ciò limita fortemente la versatilità e l'applicabilità dei ricottori quantistici ai problemi del mondo reale. Fortunatamente, in un recente studio pubblicato su Transazioni IEEE sui computer , scienziati dal Giappone hanno affrontato questo problema. Basato esclusivamente sulla teoria matematica, hanno sviluppato un metodo mediante il quale un dato modello Ising logico può essere trasformato in un modello equivalente con una larghezza di bit desiderata in modo da adattarlo all'implementazione fisica desiderata.

Il loro approccio consiste nell'aggiungere spin ausiliari al modello di Ising per interazioni problematiche o campi magnetici in modo tale che lo stato fondamentale (soluzione) del modello trasformato sia lo stesso del modello originale pur richiedendo anche una larghezza di bit inferiore. La tecnica è relativamente semplice e completamente garantita per produrre un modello Ising equivalente con la stessa soluzione dell'originale. "La nostra strategia è la prima al mondo ad affrontare in modo efficiente e teorico il problema della riduzione della larghezza di bit nelle interazioni di spin e nei coefficienti del campo magnetico nei modelli di Ising, " commenta il professor Nozomu Togawa della Waseda University, Giappone, che ha condotto lo studio.

Gli scienziati hanno anche messo alla prova il loro metodo in diversi esperimenti, che ne ha ulteriormente confermato la validità. Il prof. Togawa nutre grandi speranze, e conclude dicendo:"L'approccio sviluppato in questo studio amplierà l'applicabilità dei ricottori quantistici e li renderà molto più attraenti per le persone che si occupano non solo di modelli fisici di Ising, ma di tutti i tipi di problemi di ottimizzazione combinatoria. Tali problemi sono comuni nella crittografia, la logistica, e intelligenza artificiale, tra molti altri campi."