Computer quantistico: applicato per la prima volta alla chimica

 

 

Ci sono grandi aspettative che i computer quantistici possano offrire nuove possibilità rivoluzionarie per simulare processi chimici. 

 

 

“I computer quantistici potrebbero in teoria essere utilizzati per gestire i casi in cui elettroni e nuclei atomici si muovono in modi più complicati. Se possiamo imparare a sfruttare appieno il loro potenziale, dovremmo essere in grado di superare i confini di ciò che è possibile calcolare e comprendere “, afferma Martin Rahm, professore associato di chimica teorica presso il Dipartimento di Chimica e Ingegneria Chimica alla Chalmers University in Svezia, che ha guidato lo studio.

Nel campo della chimica quantistica, le leggi della meccanica quantistica vengono utilizzate per capire quali reazioni chimiche sono possibili, quali strutture e materiali possono essere sviluppati e quali caratteristiche hanno.

Tali studi sono normalmente intrapresi con l’aiuto di super computer, costruiti con circuiti logici convenzionali.

Esiste tuttavia un limite per il quale i calcoli i computer convenzionali possono gestire. Poiché le leggi della meccanica quantistica descrivono il comportamento della natura a livello subatomico, molti ricercatori ritengono che un computer quantistico dovrebbe essere meglio equipaggiato per eseguire calcoli molecolari rispetto a un computer convenzionale.

“La maggior parte delle cose in questo mondo sono intrinsecamente chimiche. Ad esempio, i nostri vettori energetici, all’interno della biologia così come nelle auto vecchie o nuove, sono costituiti da elettroni e nuclei atomici disposti in modi diversi in molecole e materiali. Alcuni dei problemi che risolviamo nel campo della chimica quantistica sono calcolare quali di queste disposizioni sono più probabili o vantaggiose, insieme alle loro caratteristiche”, afferma Martin Rahm.

C’è ancora molta strada da fare prima che i computer quantistici possano raggiungere ciò a cui i ricercatori mirano.

Questo campo di ricerca è ancora giovane e i piccoli calcoli del modello che vengono eseguiti sono complicati dal rumore proveniente dall’ambiente circostante del computer quantistico.

Tuttavia, Martin Rahm e i suoi colleghi hanno ora trovato un metodo che vedono come un importante passo avanti.

Il metodo è chiamato Reference-State Error Mitigation (REM) e funziona correggendo gli errori che si verificano a causa del rumore utilizzando i calcoli sia da un computer quantistico che da un computer convenzionale.

“Lo studio è una prova di concetto che il nostro metodo può migliorare la qualità dei calcoli quanto-chimici. È uno strumento utile che useremo per migliorare i nostri calcoli sui computer quantistici andando avanti”, afferma Martin Rahm.

Il principio alla base del metodo è quello di considerare prima uno stato di riferimento descrivendo e risolvendo lo stesso problema sia su un computer convenzionale che su un computer quantistico.

Confrontando i risultati di entrambi i computer, è possibile effettuare una stima esatta della quantità di errore causato dal rumore. La differenza tra le soluzioni dei due computer per il problema di riferimento può essere utilizzato per correggere la soluzione per il problema originale, più complesso, quando viene eseguito sul processore quantistico.

Combinando questo nuovo metodo con i dati del computer quantistico di Chalmers, i ricercatori sono riusciti a calcolare l’energia intrinseca di piccole molecole di esempio come l’idrogeno e l’idruro di litio. 

“Vediamo buone possibilità per un ulteriore sviluppo del metodo per consentire calcoli di molecole più grandi e complesse, quando la prossima generazione di computer quantistici sarà pronta”, afferma Martin Rahm.

La ricerca è stata condotta in stretta collaborazione con i colleghi del Dipartimento di Microtecnologia e Nanoscienze. Hanno costruito i computer quantistici utilizzati nello studio e hanno contribuito a eseguire le misurazioni sensibili necessarie per i calcoli chimici.

“È solo utilizzando algoritmi quantistici reali che possiamo capire come funziona davvero il nostro hardware e come possiamo migliorarlo. I calcoli chimici sono una delle prime aree in cui crediamo che i computer quantistici saranno utili, quindi la nostra collaborazione con il gruppo di Martin Rahm è particolarmente preziosa”, afferma Jonas Bylander, professore associato di tecnologia quantistica presso il Dipartimento di microtecnologia e nanoscienze.