Nuovo algoritmo per computer quantistici sblocca il potere delle interazioni a livello atomico

Figura 1: Illustrazione delle due fasi di un superconduttore ad alta temperatura di tipo cuprato. Un nuovo protocollo per la costruzione di circuiti quantistici potrebbe aiutare nei calcoli sui materiali quantistici come i superconduttori. Crediti: Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

Un nuovo protocollo per i computer quantistici potrebbe riprodurre le complesse dinamiche dei materiali quantistici.

Ricercatori del RIKEN hanno creato un algoritmo quantistico-ibrido che può calcolare efficacemente le interazioni atomiche a livello di materiali complessi. Questa innovazione consente di utilizzare computer quantistici più piccoli o convenzionali per lo studio della fisica della materia condensata e della chimica quantistica, aprendo la strada a nuove scoperte in questi campi.

I ricercatori del RIKEN hanno sviluppato un algoritmo quantistico-computazionale che potrebbe essere utilizzato per calcolare in modo efficiente e accurato le interazioni atomiche a livello di materiali complessi. Questo potrebbe portare a un livello di comprensione senza precedenti della fisica della materia condensata e della chimica quantistica, applicazioni dei computer quantistici proposte per la prima volta dal brillante fisico Richard Feynman nel 1981.

I computer quantistici promettono una maggiore potenza di calcolo e la capacità di risolvere problemi altrimenti irrisolvibili per i computer convenzionali.

Kaoru Mizuta e i suoi colleghi hanno dimostrato un metodo per implementare operatori di evoluzione temporale su computer quantistici di piccole dimensioni. Crediti: RIKEN Center for Quantum Computing 2023

I qubit, i mattoni fondamentali dei computer quantistici, sono essenzialmente dei sistemi minuscoli, come nanocristalli o circuiti superconduttori, governati dalle leggi della fisica quantistica. A differenza dei bit utilizzati nei computer convenzionali, che possono essere uno o zero, i qubit possono assumere simultaneamente valori multipli. È questa proprietà dei qubit che dà ai computer quantistici il vantaggio in termini di velocità.

Un modo non convenzionale di elaborare richiede anche una nuova prospettiva su come elaborare dati in modo efficiente per affrontare problemi troppo difficili per i computer convenzionali.

Un esempio notevole di questo è l'operatore di evoluzione temporale. "Gli operatori di evoluzione temporale sono enormi oggetti di numeri che descrivono i comportamenti complessi dei materiali quantistici", spiega Kaoru Mizuta del RIKEN Center for Quantum Computing. "Sono molto importanti perché danno ai computer quantistici una applicazione molto pratica: una migliore comprensione della chimica quantistica e della fisica dei solidi."

I computer quantistici prototipo finora realizzati hanno raggiunto gli operatori di evoluzione temporale utilizzando una tecnica relativamente semplice chiamata trotterizzazione. Tuttavia, la trotterizzazione è considerata inadatta ai computer quantistici del futuro poiché richiede un'enorme quantità di porte quantistiche e pertanto molto tempo computazionale. Di conseguenza, i ricercatori stanno cercando di creare algoritmi quantistici per simulazioni quantistiche accurati che utilizzino meno porte quantistiche.

Ora, Mizuta, in collaborazione con colleghi di tutto il Giappone, ha proposto un algoritmo molto più efficiente e pratico. Un ibrido di metodi quantistici e classici, può compilare gli operatori di evoluzione temporale a un costo computazionale inferiore, consentendo di eseguirlo su computer quantistici di piccole dimensioni, o addirittura su quelli convenzionali.

"Abbiamo stabilito un nuovo protocollo per la costruzione di circuiti quantistici che riproducono efficientemente e accuratamente gli operatori di evoluzione temporale sui computer quantistici", spiega Mizuta. "Combinando piccoli algoritmi quantistici con le leggi fondamentali della dinamica quantistica, il nostro protocollo riesce a progettare circuiti quantistici per la replicazione di materiali quantistici su larga scala, ma con computer quantistici più semplici."

Mizuta e il suo team intendono in seguito chiarire come gli operatori di evoluzione temporale ottimizzati dal loro metodo possano essere applicati a vari algoritmi quantistici che possono calcolare le proprietà di materiali quantistici. "Prevediamo che questo lavoro dimostri il potenziale dell'uso di computer quantistici più piccoli per lo studio della fisica e della chimica."

Riferimento: "Local Variational Quantum Compilation of Large-Scale Hamiltonian Dynamics" di Kaoru Mizuta, Yuya O. Nakagawa, Kosuke Mitarai e Keisuke Fujii, 5 ottobre 2022, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.040302