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Simulazioni quantistiche, a che punto siamo

Le simulazioni quantistiche hanno suscitato un interesse crescente fin dai primi anni ottanta, quando Richard Feynman, uno dei pionieri del campo nonché uno dei più celebri e brillanti fisici di quell’epoca, affermò: “La natura non è classica, dannazione! E se volete creare un simulatore per essa, sarà meglio che lo facciate usando la meccanica quantistica”.

Questo interesse è ampiamente giustificato dal fatto che realizzare un simulatore quantistico darebbe accesso a una più profonda conoscenza del mondo microscopico da un lato, e dall’altro una potenza computazionale del tutto nuova.

Semplificando molto, possiamo racchiudere le simulazioni quantistiche in due macrocategorie: quelle fatte con i simulatori quantistici universali (digitali), denominati Quantum Computer, e quelle con i simulatori quantistici analogici.

I primi, sfruttando due tra le più importanti proprietà della meccanica quantistica cioè il principio di sovrapposizione (che è il presupposto sulla base del quale è possibile avere i qubits) e l’entaglement, possono raggiungere una potenza computazionale ben al di là del più potente supercomputer.

I secondi, invece, mimano specifici sistemi quantistici per studiarne più facilmente le loro proprietà. Un tipico esempio è dato dallo studio dell’interazione tra due molecole (interessante per applicazioni in chimica, biologia, medicina, studio di materiali, e così via), tipico sistema impossibile da simulare, a meno di grosse semplificazioni, per un normale computer o un qualunque sistema che non faccia uso della meccanica quantistica ma facilmente risolvibile con un simulatore quantistico analogico che riproduce esattamente quel tipo di interazione (D’altronde la natura è quantistica, dannazione!).

Fabio Scafirimuto, PhD Researcher, Quantum Technology Group, IBM Zurich

Da quella frase di Feynman e, più in generale, dai primi lavori pioneristici, sono passati quasi quarant’anni e molti progressi sono stati fatti.

Dalla fine degli anni novanta la tecnologia ci ha permesso di realizzare condensati di atomi freddi, matrici di quantum dots, circuiti superconduttivi per generare qubits, eccetera.

Diversi prototipi di simulatori quantistici sono stati realizzati nel corso degli ultimi dieci anni ma un elemento li accomuna tutti, ovvero, la necessità di lavorare a bassissime temperature (fino a qualche millesimo di grado Kelvin), condizione che non è ideale in quanto dispendiosa in termini di risorse.

Poter lavorare a temperatura ambiente è molto spesso un lusso per i fisici sperimentali interessati a scoprire l’universo quantistico, infatti anche la “normale” temperatura ambiente, che nel mondo della scienza è uno standard fissato a 25⁰C (300 K), fornisce in molti casi un’energia termica sufficiente a distruggere i flebili stati quantistici creati in laboratorio.

Il quinto stato della materia

Tra i più promettenti candidati a realizzare un simulatore quantistico, figurano i condensati di Bose Einstein, il quinto stato della materia spiegabile solo attraverso la meccanica quantistica. Tale stato della materia è molto fragile e pertanto ha finora obbligato i fisici a dover lavorare a bassissima temperatura.

Per cercare di realizzare un simulatore quantistico che funzioni a temperatura ambiente, nei laboratori di ricerca di IBM a Ruschlikon, in Svizzera, stiamo sviluppando un sistema fisico basato su sistemi di cavità ottiche che intrappolano e fanno interagire condensati di Bose-Einstein (che da ora in poi chiameremo semplicemente condensati) di luce e materia.

Ma facciamo un passo indietro e soffermiamoci su alcuni concetti.

Simulazioni quantistiche per condensati di luce e materia

Il condensato è uno stato fisico in cui le particelle che lo costituiscono, i bosoni (particelle caratterizzate da un momento angolare intrinseco che può acquisire solo valori interi), condividono tutte lo stesso livello di energia che è quello minimo possibile.

Per realizzarlo si deve superare una certa densità critica, oltre la quale i bosoni iniziano a comportarsi in maniera coerente, condizione che pittorescamente possiamo immaginare come una sorta di danza collettiva in cui tutti i bosoni sono ben coordinati fra di loro.

In natura esistono moltissimi bosoni tra i quali i fotoni (le particelle di cui è fatta la luce) e gli eccitoni (particelle presenti in qualunque tipo di materiale che nascono dall’unione di una carica negativa, l’elettrone, e una carica positiva, la lacuna).

L’unione di questi due bosoni porta alla formazione di un più sfuggevole bosone, chiamato eccitone-polaritone (lo ammetto, i fisici hanno una certa fantasia nel trovare nomi buffi!). Dunque un condensato di eccitoni-polaritoni (da ora in avanti semplicemente polaritoni) non è altro che un condensato di luce, i fotoni, e di materia, gli eccitoni.

Simulazioni con sistema di cavità ottiche

Immaginiamo di posizionare due specchi uno di fronte l’altro e di usare un laser, o una qualunque sorgente di luce, per immettere fotoni nello spazio delimitato tra i due specchi, ecco che abbiamo creato una cavità ottica.

Progettando opportunamente gli specchi e la distanza fra di essi possiamo riflettere certi fotoni e trasmetterne altri. Questo principio ci permette di intrappolare i fotoni nella cavità. Una volta realizzata la prima cavità possiamo immaginarne di posizionarne altre vicino, così facendo abbiamo costruito un sistema di cavità ottiche dove la distanza tra di esse ne determina l’interazione.

Se adesso mettiamo assieme entrambi i concetti, quello che con le simulazioni otteniamo è un sistema di cavità ottiche all’interno delle quali possiamo generare condensati di polaritoni che interagiscono tra di loro.

Variando opportunamente il design del sistema abbiamo la possibilità di mimare vari sistemi fisici (come le due molecole già citate) pertanto abbiamo realizzato il nostro simulatore quantistico.

Rimane da spiegare come fa a lavorare a temperatura ambiente.

Presto detto: come fonte di eccitoni abbiamo scelto un particolare polimero organico, il MeLPPP, i cui eccitoni resistono all’energia termica a temperatura ambiente.

Una versione semplificata di questo sistema, avente una sola cavità, è stata recentemente dimostrata nel nostro ultimo lavoro.

La strada da percorrere sembra ben definita di fronte a noi ma nel mondo della ricerca gli imprevisti e nuovi problemi sono sempre dietro l’angolo.

Mancano ancora molti test e qualche esperimento ma siamo fiduciosi (d’altronde noi ricercatori dobbiamo esserlo) che ben presto realizzeremo il nostro simulatore quantistico funzionante a temperatura ambiente.

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