In uno studio innovativo pubblicato su Physical Review Research, un gruppo di scienziati dell’Università di Chicago ha annunciato di essere riusciti a trasformare il più grande computer quantistico dell’IBM in un materiale quantistico.
Hanno programmato il computer in modo che si trasformasse in un tipo di materiale quantistico chiamato condensato di eccitoni, la cui esistenza è stata scoperta solo di recente. Tali condensati sono stati identificati per il loro potenziale nella tecnologia futura, perché possono condurre energia con una perdita quasi nulla.
“La ragione per cui questo è così eccitante è che mostra che è possibile utilizzare i computer quantistici come esperimenti programmabili stessi“, ha detto il co-autore della pubblicazione David Mazziotti, un professore del Dipartimento di Chimica, il James Franck Institute e il Chicago Quantum Exchange, e un esperto di struttura elettronica molecolare. “Questo potrebbe servire come laboratorio per costruire materiali quantistici potenzialmente utili“.
Per diversi anni, Mazziotti ha osservato come gli scienziati di tutto il mondo esplorano un tipo di stato in fisica chiamato condensato di eccitoni. I fisici sono molto interessati a questo tipo di stati fisici nuovi, in parte perché le scoperte passate hanno plasmato lo sviluppo di importanti tecnologie; per esempio, uno di questi stati chiamato superconduttore è alla base delle macchine per la risonanza magnetica.
Anche se i condensati di eccitoni erano stati previsti mezzo secolo fa, fino a poco tempo fa, nessuno era stato in grado di farne funzionare uno in laboratorio senza dover utilizzare campi magnetici estremamente forti. Ma intrigano gli scienziati perché possono trasportare energia senza alcuna perdita, cosa che nessun altro materiale che conosciamo può fare. Se i fisici li capissero meglio, è possibile che alla fine potrebbero formare la base di materiali incredibilmente efficienti dal punto di vista energetico.
“Questo potrebbe servire come laboratorio per costruire materiali quantistici potenzialmente utili”.
Prof. David Mazziotti
Per fare un condensato di eccitoni, gli scienziati prendono un materiale composto da un reticolo di particelle, lo raffreddano a meno di -270 gradi Fahrenheit e lo inducono a formare coppie di particelle chiamate eccitoni. Poi fanno sì che le coppie diventino entangled (vedi entanglement quantistico). Ma tutto questo è così complicato che gli scienziati sono stati in grado di creare condensati di eccitoni solo poche volte.
“Un condensato di eccitoni è uno degli stati più quantistici che si possano preparare“, ha detto Mazziotti. Ciò significa che è molto, molto lontano dalle classiche proprietà quotidiane della fisica con cui gli scienziati sono abituati a trattare.
L’eperimento della University of Chicago
IBM mette i suoi computer quantistici a disposizione di persone in tutto il mondo per testare i loro algoritmi; la società ha accettato di “prestare” il suo più grande computer, chiamato Rochester, alla University of Chicago per un esperimento.
Gli studenti laureati LeeAnn Sager e Scott Smart hanno scritto una serie di algoritmi che hanno trattato ogni bit quantistico di Rochester come un eccitone. Un computer quantistico funziona aggrovigliando i suoi bit, quindi una volta che il computer era attivo, l’intera cosa è diventata un condensato di eccitoni.
“E’ stato un risultato davvero interessante, in parte perché abbiamo scoperto che a causa del rumore (ndr “errori”) degli attuali computer quantistici, il condensato non appare come un unico grande condensato, ma come una collezione di condensati più piccoli“, ha detto Sager. “Non credo che nessuno di noi l’avrebbe potuto prevedere“.
Mazziotti ha detto che lo studio dimostra che i computer quantistici potrebbero essere una piattaforma utile per studiare i condensati di eccitoni stessi.
“Avere la capacità di programmare un computer quantistico per agire come un condensato di eccitoni può essere molto utile per ispirare o realizzare il potenziale dei condensati di eccitoni, come materiali ad alta efficienza energetica“, ha detto.
Un passo avanti nel progresso
Al di là di questo, essere in grado di programmare uno stato meccanico quantistico così complesso su un computer segna un importante progresso scientifico.
Poiché i computer quantistici sono così nuovi, i ricercatori stanno ancora imparando la portata di ciò che possiamo fare con loro. Ma una cosa che sappiamo da molto tempo è che ci sono certi fenomeni naturali che sono virtualmente impossibili da modellare su un computer classico.
“Su un computer classico, devi programmare questo elemento di casualità che è così importante nella meccanica quantistica; ma un computer quantistico ha questa casualità intrinseca“, ha detto Sager. “Un sacco di sistemi funzionano sulla carta, ma non hanno mai dimostrato di funzionare nella pratica. Quindi essere in grado di dimostrare che possiamo davvero farlo – possiamo programmare con successo stati altamente correlati su un computer quantistico – è unico ed eccitante“.
Curiosità:
Puoi provare ad utilizzare un computer quantistico comodamente seduto a casa tua, grazie alla IBM Quantum Experience.
