IBM è, da sempre, uno dei leader nel settore dei computer e oggi si trova dinanzi ad una nuova sfida: i computer quantistici.
Studiare la materia in condizioni estreme (come quelle dentro una stella collassata o durante una collisione di particelle) è uno dei compiti più complessi della fisica moderna; il Modello Standard fornisce le equazioni per descrivere queste situazioni, ma quando l’ambiente cambia troppo velocemente o la densità è altissima, anche i supercomputer più avanzati vanno in crisi.
È qui che entra in gioco il calcolo quantistico, capace in teoria di simulare questi sistemi in modo molto più efficiente dei computer tradizionali, ma c’è un ostacolo: come preparare lo stato quantistico iniziale da cui far partire la simulazione? Finora è stato uno dei problemi più difficili del settore.
Un team internazionale di ricercatori ha fatto un passo senza precedenti: ha progettato circuiti quantistici scalabili in grado di preparare lo stato iniziale di una collisione di particelle, simile a quelle generate negli acceleratori. Il test si concentra sulle interazioni forti, una delle componenti fondamentali del Modello Standard.
Dai piccoli modelli classici al salto quantistico da 100 qubit
I ricercatori hanno prima progettato i circuiti necessari usando computer classici su modelli molto piccoli. Una volta capito il “motore”, hanno sfruttato la struttura scalabile dei circuiti per portare la simulazione direttamente su un computer quantistico di IBM.
Il risultato? Una simulazione digitale che supera i 100 qubit, la più grande mai realizzata in ambito di fisica nucleare. Con questa configurazione, il team è riuscito a riprodurre fenomeni chiave come lo stato di vuoto e la formazione di adroni, all’interno di una versione semplificata dell’elettrodinamica quantistica.
Perché è importante: simulare la materia impossibile
Questi nuovi algoritmi quantistici permettono di affrontare problemi finora fuori portata:
- lo stato di vuoto prima di una collisione di particelle;
- sistemi con densità estreme (come nel cuore di una stella di neutroni);
- fasci di adroni e loro propagazione.
Si tratta di scenari che i computer classici faticano a modellare con precisione, mentre i circuiti quantistici mostrano di poter andare molto oltre.
In futuro, queste simulazioni potrebbero aiutare a risolvere grandi misteri della fisica moderna:
- perché esiste più materia che antimateria?
- come si formano gli elementi pesanti nelle supernove?
- come si comporta la materia quando raggiunge densità impossibili sulla Terra?
Gli stessi metodi potrebbero essere applicati a materiali esotici, condensati quantistici e altri sistemi difficili da trattare con i modelli tradizionali.
Simulazioni reali, risultati misurabili
Dopo aver validato le componenti dei circuiti con metodi classici, il team ha eseguito tutto su hardware quantistico IBM. Da questi esperimenti, i ricercatori hanno estratto proprietà dello stato di vuoto con un’accuratezza dell’ordine del percento.
Non solo: hanno generato veri e propri “impulsi di adroni” e ne hanno studiato l’evoluzione temporale, un risultato che avvicina sempre di più all’obiettivo finale: simulare dinamicamente la materia in condizioni estreme in un modo impossibile per i computer tradizionali.
Chi ha finanziato la ricerca
Il progetto è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), dall’Office of Nuclear Physics, dall’InQubator for Quantum Simulation (IQuS), dal Quantum Science Center e da strutture di supercalcolo come l’Oak Ridge Leadership Computing Facility e il sistema Hyak dell’Università di Washington. È stato inoltre utilizzato l’infrastruttura di IBM Quantum.
