I ricercatori hanno sviluppato un algoritmo quantistico in grado di simulare il comportamento di minuscole particelle sotto l'influenza del calore. Questo potrebbe aprire nuove strade per farmaci, batterie e materiali.
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Un computer senza software sarebbe solo un ammasso di elettronica senza alcuna funzione. I computer quantistici non sono da meno. Tuttavia, mentre il pubblico di solito si limita a discutere i progressi dell'hardware, una chiave non meno importante per l'utilizzo dei computer quantistici risiede nel software - in altre parole, negli algoritmi che metodi di correzione degli errori e nei linguaggi di programmazione che rendono possibile l'utilizzo dei complessi effetti quantistici. Un gruppo di ricerca americano guidato da Chi-Fang Chen del California Institute of Technology ha ora sviluppato un algoritmo quantistico che può essere utilizzato per simulare le particelle più piccole sotto l'influenza del calore. L'algoritmo è il primo del suo genere e potrebbe fornire una base per ulteriori applicazioni, scrivono i ricercatori nello studio pubblicato sulla rivista specializzata «Nature».
Le interazioni tra le particelle a livello molecolare sono responsabili del funzionamento dei farmaci nel corpo o della carica degli smartphone. Tuttavia, poiché in questo caso si applicano le leggi della meccanica quantistica, i computer convenzionali possono simulare questi processi solo in modo incompleto o con grandi spese di calcolo. Le possibilità di utilizzare le simulazioni della meccanica quantistica per trovare nuovi farmaci, batterie migliori e materiali innovativi sono quindi limitate. Ecco perché molte speranze sono riposte nei computer quantistici. Essi stessi sono un sistema quantistico e questo elimina parte dello sforzo computazionale. Tuttavia, finché non esiste ancora un computer quantistico universale a correzione d'errore, non è ancora chiaro cosa sia possibile e fattibile nella realtà.
Nell'attuale studio, gli autori ricavano matematicamente che il loro algoritmo può essere eseguito teoricamente su un computer quantistico e mappano le proprietà fondamentali del sistema da simulare. L'algoritmo quantistico presentato ha lo scopo di descrivere come cambia l'energia di un sistema fisico quando entra in contatto con il calore, cioè con l'energia. L'energia può influenzare le proprietà di un sistema. L'approccio del team di ricerca si basa su un metodo già noto per le simulazioni classiche: il metodo della catena di Markov Monte Carlo. Si tratta di un metodo per approssimare distribuzioni di probabilità complicate generando una catena di campioni casuali. Ogni nuovo campione dipende solo dallo stato precedente, in modo da poter analizzare in modo efficiente anche distribuzioni altamente dimensionali o difficili da gestire dal punto di vista analitico.
Bit contro Qbit Fonte: Spektrum der Wissenschaft / Emde-Grafik (Ausschnitt)
Due scienziati di informatica quantistica interpellati dal Science Media Centre giudicano il concetto molto promettente. Ad esempio, Mario Berta della Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen afferma che la struttura dell'algoritmo quantistico proposto è concettualmente nuova e di altissimo livello scientifico. «Rispetto a molti lavori precedenti nel campo delle simulazioni quantistiche, lo studio si spinge molto oltre, in quanto apre una nuova direzione con un grande potenziale.» L'algoritmo presentato potrebbe colmare una lacuna esistente consentendo per la prima volta un'efficiente simulazione quantistica degli stati di equilibrio - i metodi classici hanno raggiunto limiti fondamentali in questo campo. È un buon candidato per un test iniziale su un futuro computer quantistico a correzione di errore.
Hannes Pichler, professore di Fisica Quantistica Teorica presso l'Università di Innsbruck, afferma che il nuovo algoritmo quantistico ha «proprietà concettualmente interessanti, in quanto stabiliscono chiare analogie con gli importanti algoritmi classici». Inoltre, viene dimostrato in modo comprensibile che le dinamiche necessarie possono essere realizzate in linea di principio in modo efficiente su un computer quantistico. Tuttavia, mette in guardia: «Il divario tra i requisiti hardware di questi algoritmi e l'attuale stato dell'arte rimane considerevole.» Questo dimostra che l'hardware è importante quanto il software, perché senza di esso anche l'algoritmo più sofisticato rimane solo teoria.
