Il quantum computing compie un nuovo passo nella ricerca scientifica applicata. Un team internazionale guidato da IBM ha progettato, costruito e studiato una molecola completamente nuova che presenta una topologia elettronica mai osservata prima. La scoperta, pubblicata sulla rivista Science, documenta la prima osservazione sperimentale di una topologia elettronica half-Möbius in una singola molecola.
Il risultato dimostra come l’integrazione tra calcolo quantistico e tecniche sperimentali avanzate possa permettere di comprendere sistemi molecolari complessi che sfuggono agli strumenti teorici tradizionali. Per analizzare il comportamento elettronico della nuova struttura, i ricercatori hanno infatti utilizzato un paradigma definito quantum-centric supercomputing, in cui computer quantistici e sistemi classici lavorano insieme.
Una nuova forma di materia quantistica
La molecola sintetizzata ha formula C₁₃Cl₂ ed è stata costruita atomo per atomo nei laboratori IBM Research Europe di Zurigo. Gli elettroni al suo interno non si distribuiscono secondo le configurazioni note delle molecole convenzionali, ma seguono una struttura elicoidale che definisce una nuova classe di topologia elettronica.
Per comprendere la novità del fenomeno bisogna guardare alla topologia molecolare. Nella maggior parte delle molecole ad anello, gli orbitali elettronici sono “topologicamente banali”: seguendo il percorso degli elettroni lungo l’anello si torna al punto di partenza dopo un singolo ciclo.
Nel caso della molecola half-Möbius, invece, la nuvola elettronica presenta una torsione che modifica profondamente la simmetria del sistema. La fase elettronica ruota di 90 gradi a ogni rivoluzione, e l’intero sistema ritorna allo stato iniziale solo dopo quattro cicli completi. Questa configurazione definisce una classe completamente nuova di topologia elettronica molecolare.
Un ulteriore elemento di interesse è che la struttura può essere controllata e modificata: il sistema può essere commutato in modo reversibile tra configurazione half-Möbius destrorsa, sinistrorsa o topologicamente neutra. In questo caso la topologia non è semplicemente una proprietà osservata, ma un parametro progettato e manipolato sperimentalmente.
Costruzione atomica e microscopia di precisione
La molecola è stata realizzata utilizzando tecniche di manipolazione atomica basate su microscopia a scansione, operando su uno strato isolante sottile depositato su oro e a temperature prossime allo zero assoluto.
Tre tecnologie sviluppate nel tempo nei laboratori IBM hanno reso possibile questo risultato. Il microscopio a effetto tunnel (STM), inventato nel 1981 da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, ha permesso di osservare e mappare gli orbitali molecolari su scala atomica. Negli anni successivi, la manipolazione controllata di singoli atomi ha reso possibile costruire strutture atomiche artificiali. Infine, la microscopia a forza atomica (AFM) ha consentito di determinare con precisione la geometria della molecola.
Grazie a queste tecniche i ricercatori hanno potuto assemblare la struttura rimuovendo singoli atomi da un precursore molecolare sviluppato all’Università di Oxford.
Il contributo del quantum computing
Progettare e costruire la molecola rappresentava solo una parte della sfida. Comprendere il suo comportamento elettronico si è rivelato altrettanto complesso. Gli elettroni nella struttura mostrano infatti forti correlazioni quantistiche, con interazioni che crescono in modo esponenziale all’aumentare del numero di particelle coinvolte.
Metodi di simulazione classici avanzati — come Quantum Monte Carlo o CCSD(T) — permettono di affrontare molti problemi di chimica quantistica, ma sistemi con forte carattere multiriferimento come la molecola half-Möbius risultano estremamente difficili da trattare con questi approcci.
Per questo motivo il team ha adottato una strategia differente, basata su un algoritmo di quantum diagonalization campionata chiamato SqDRIFT, eseguito su un computer quantistico IBM. L’algoritmo è stato utilizzato su un processore quantistico Heron con fino a 100 qubit, permettendo di esplorare uno spazio di configurazioni elettroniche molto più ampio di quanto sarebbe possibile con una diagonalizzazione classica diretta.
Le simulazioni quantistiche hanno permesso di identificare orbitali molecolari elicoidali associati all’aggiunta di elettroni, una firma distintiva della topologia half-Möbius. Inoltre hanno spiegato l’origine del comportamento osservato attraverso un fenomeno noto come effetto pseudo-Jahn-Teller elicoidale, legato alla geometria contorta della struttura elettronica.
Dalla dimostrazione alla scienza sperimentale
In questo caso il computer quantistico non è stato utilizzato come dimostrazione teorica o esperimento di laboratorio su sistemi artificiali semplificati. È stato impiegato come strumento scientifico per interpretare dati sperimentali reali.
L’obiettivo dello studio non era mostrare le prestazioni dell’hardware quantistico, ma decifrare la struttura elettronica di un materiale quantistico appena sintetizzato.
Questo approccio rappresenta un passo concreto verso l’uso del calcolo quantistico nella chimica e nella fisica dei materiali, dove la complessità dei sistemi cresce rapidamente oltre le capacità dei metodi tradizionali.
La convergenza delle idee di Feynman
Il lavoro richiama due intuizioni fondamentali del fisico Richard Feynman. Nel 1959 Feynman ipotizzò la possibilità di costruire materia atomo per atomo, mentre negli anni Ottanta propose l’idea di computer capaci di simulare la fisica quantistica utilizzando sistemi quantistici.
La ricerca dimostra come queste due visioni possano oggi convergere: molecole progettate tramite manipolazione atomica e studiate attraverso algoritmi quantistici che operano secondo le stesse leggi fisiche del sistema osservato.
Questa integrazione tra esperimento e simulazione apre nuove prospettive per l’ingegneria dei materiali e per lo studio della materia su scala quantistica. Con l’evoluzione dei computer quantistici di nuova generazione, i ricercatori intravedono inoltre un percorso realistico verso il quantum advantage nella chimica, cioè la possibilità di affrontare problemi molecolari che risultano intrattabili per i supercomputer classici.
