Un team del Quantum Science Center finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha dimostrato che i computer quantistici possono simulare i materiali a livelli di accuratezza finora ritenuti fuori dalla portata delle capacità quantistiche attualmente disponibili
IBM ha annunciato oggi che il proprio computer quantistico è riuscito a simulare in modo affidabile il comportamento quantistico di un materiale magnetico, ottenendo risultati in linea con gli esperimenti sullo scattering di neutroni, segnando un passo significativo verso l’utilizzo dei computer quantistici come strumenti affidabili per la scoperta scientifica. Il lavoro, riportato in uno studio di ricerca pubblicato in pre-print è stato condotto da scienziati del Quantum Science Center finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti presso Oak Ridge National Laboratory, dell’Università Purdue, dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, del Los Alamos National Laboratory e dell’Università del Tennessee e IBM.
La capacità di progettare nuovi materiali, come superconduttori migliori, batterie più efficienti o nuovi farmaci, dipende capacità di comprendere il comportamento quantistico, che spesso risulta difficile da modellare con i metodi classici. Sebbene ci si aspettasse che i computer quantistici potessero affrontare questa sfida, non era ancora chiaro se i processori oggi disponibili fossero in grado di fornire simulazioni quantitativamente affidabili di materiali reali. Questi risultati dimostrano che l’hardware quantistico, insieme ad algoritmi innovativi e a workflow di quantum-centric supercomputing, può simulare con precisione le proprietà dei materiali, cosa difficile da realizzare utilizzando solo i metodi classici.
“Esiste un’enorme quantità di dati sullo scattering di neutroni sui materiali magnetici che non comprendiamo ancora pienamente a causa dei limiti dei metodi classici approssimati”, ha dichiarato Arnab Banerjee, professore assistente di Fisica e Astronomia all’Università Purdue. “Utilizzare un computer quantistico per comprendere meglio queste simulazioni e confrontarle con i dati sperimentali è stato per me un sogno coltivato per oltre un decennio, e sono entusiasta del fatto che oggi abbiamo dimostrato, per la prima volta, che questo è possibile.”
L’esperimento
Da tempo gli scienziati utilizzano sorgenti di neutroni per rivelare le proprietà quantistiche dei materiali, misurando come i neutroni incidenti scambiano energia e quantità di moto con gli spin nel materiale. In questo studio, il team si è concentrato sul cristallo magnetico KCuF3 e ha confrontato direttamente le misurazioni di scattering di neutroni con le simulazioni su un computer quantistico. La forte corrispondenza tra esperimento e simulazione dimostra che i processori quantistici sono ora in grado di calcolare le principali proprietà dinamiche dei materiali reali. “È la corrispondenza più impressionante che abbia mai visto tra dati sperimentali e simulazione con qubit, e alza in modo significativo il livello di ciò che ci si può attendere dai computer quantistici”, ha commentato Allen Scheie, fisico della materia condensata al Los Alamos National Laboratory. “Sono estremamente entusiasta del significato che questo risultato può avere per la scienza.”
Questi risultati iniziano a consolidare l’utilizzo dei computer quantistici come strumenti computazionali affidabili per la simulazione dei materiali. “Le simulazioni quantistiche di modelli realistici dei materiali e la loro caratterizzazione sperimentale rappresentano una dimostrazione concreta dell’impatto che il quantum computing può avere nei processi di scoperta scientifica”, ha affermato Travis Humble, direttore del QSC presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL).
Lo studio evidenzia inoltre come i miglioramenti in termini di scala e qualità dei processori quantistici siano stati cruciali per il livello di accuratezza raggiunto nella simulazione. “Questi risultati sono stati resi possibili dai tassi di errore dei gate a due qubit che ora sono stati raggiunti sui nostri processori quantistici”, ha affermato Abhinav Kandala, ricercatore di IBM. “Ci aspettiamo ulteriori miglioramenti nei tassi di errore e nelle estensioni a dimensioni superiori per consentire previsioni sulle proprietà dei materiali che risultano difficili da ottenere con i soli metodi classici.” Basandosi sulla programmabilità di un processore quantistico universale, il team ha già esteso questo approccio oltre il KCuF₃ per simulare classi di materiali con interazioni più complesse.
Verso l’era quantistica
Questo esperimento si inserisce in un cambiamento più ampio nel modo in cui i computer quantistici vengono applicati ai problemi scientifici affrontati dai laboratori di ricerca. Tra i risultati più recenti figurano la prima simulazione quantistica di una molecola half-Möbius mai osservata prima e una simulazione proteica su larga scala realizzata con Cleveland Clinic. In discipline come la chimica, la scienza dei materiali e la biologia molecolare, la simulazione quantistica sta iniziando a misurarsi con problemi rilevanti per la comunità scientifica.
L’approccio del quantum-centric supercomputing dimostrato in questo lavoro è stato concepito per generare valore scientifico e commerciale già negli anni che precedono l’arrivo di sistemi ancora più avanzati, integrando l’hardware quantistico disponibile oggi con il calcolo classico in flussi di lavoro che rendono produttivo l’uso di entrambi.
