Nuovi computer quantistici analogici per risolvere problemi precedentemente irrisolvibili

Sep 04, 2023

30 gennaio 2023

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dall'University College di Dublino

I fisici hanno inventato un nuovo tipo di computer quantistico analogico in grado di affrontare problemi di fisica difficili che i supercomputer digitali più potenti non possono risolvere.

Una nuova ricerca pubblicata su Nature Physics da scienziati della Stanford University negli Stati Uniti e dell’University College Dublin (UCD) in Irlanda ha dimostrato che un nuovo tipo di computer analogico altamente specializzato, i cui circuiti presentano componenti quantistici, può risolvere problemi all’avanguardia della fisica quantistica che prima erano irraggiungibili. Se potenziati, tali dispositivi potrebbero essere in grado di far luce su alcuni dei più importanti problemi irrisolti della fisica.

Ad esempio, scienziati e ingegneri desiderano da tempo acquisire una migliore comprensione della superconduttività, perché i materiali superconduttori esistenti, come quelli utilizzati nelle macchine per la risonanza magnetica, nei treni ad alta velocità e nelle reti elettriche a lunga distanza ad alta efficienza energetica, attualmente funzionano solo a temperature estremamente basse. , limitandone l'uso più ampio. Il Santo Graal della scienza dei materiali è trovare materiali che siano superconduttori a temperatura ambiente, il che rivoluzionerebbe il loro utilizzo in una serie di tecnologie.

Il dottor Andrew Mitchell è direttore dell’UCD Center for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST), fisico teorico presso la UCD School of Physics e coautore dell’articolo.

Ha detto: "Alcuni problemi sono semplicemente troppo complessi per essere risolti anche dai computer classici digitali più veloci. La simulazione accurata di materiali quantistici complessi come i superconduttori ad alta temperatura è un esempio davvero importante: quel tipo di calcolo è ben oltre le capacità attuali perché del tempo di calcolo esponenziale e dei requisiti di memoria necessari per simulare le proprietà di modelli realistici."

"Tuttavia, i progressi tecnologici e ingegneristici che guidano la rivoluzione digitale hanno portato con sé la capacità senza precedenti di controllare la materia su scala nanometrica. Ciò ci ha permesso di progettare computer analogici specializzati, chiamati "Simulatori Quantistici", che risolvono modelli specifici di fisica quantistica mediante sfruttando le proprietà meccaniche quantistiche intrinseche dei suoi componenti su scala nanometrica. Sebbene non siamo ancora stati in grado di costruire un computer quantistico programmabile per tutti gli usi con potenza sufficiente per risolvere tutti i problemi aperti in fisica, ciò che possiamo fare ora è costruire dispositivi analogici su misura con componenti quantistici in grado di risolvere specifici problemi di fisica quantistica."

L'architettura di questi nuovi dispositivi quantistici prevede componenti ibridi metallo-semiconduttore incorporati in un circuito nanoelettronico, ideato dai ricercatori di Stanford, UCD e dallo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia (situato a Stanford). L'Experimental Nanoscience Group di Stanford, guidato dal professor David Goldhaber-Gordon, ha costruito e gestito il dispositivo, mentre la teoria e la modellazione sono state eseguite dal Dr. Mitchell dell'UCD.

Il professor Goldhaber-Gordon, ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, ha dichiarato: "Cerchiamo sempre modelli matematici che speriamo catturino l'essenza dei fenomeni a cui siamo interessati, ma anche se crediamo che siano avete ragione, spesso non sono risolvibili in un lasso di tempo ragionevole."

Con un simulatore quantistico, "abbiamo queste manopole da girare che nessuno ha mai avuto prima", ha affermato il professor Goldhaber-Gordon.