Risolvere problemi precedentemente irrisolvibili: un nuovo tipo di computer quantistico analogico

Sep 04, 2023

Di UCD Research & Innovation10 marzo 2023

I computer quantistici analogici sono un tipo di computer quantistico che funziona utilizzando variabili continue, come l'ampiezza e la fase di una funzione d'onda quantistica, per eseguire calcoli.

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

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Nature Physics, condotto da un team di scienziati della Stanford University negli Stati Uniti e dell'University College Dublin (UCD) in Irlanda, ha rivelato che un nuovo tipo di computer analogico altamente specializzato, dotato di componenti quantistici nei suoi circuiti, può risolvere problemi complessi di fisica quantistica che prima erano irraggiungibili. Se questi dispositivi potessero essere ampliati, avrebbero il potenziale per fornire informazioni su alcune delle questioni irrisolte più significative della fisica.

Ad esempio, scienziati e ingegneri cercano da molto tempo una comprensione più profonda della superconduttività. Attualmente, i materiali superconduttori, 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, funzionano solo a temperature estremamente basse, ostacolando le loro applicazioni più ampie. L’obiettivo finale della scienza dei materiali è scoprire materiali che presentino superconduttività a temperatura ambiente, il che ne rivoluzionerebbe l’uso in una serie di tecnologie.

Immagine al microscopio del nuovo simulatore quantistico, che presenta due componenti metallo-semiconduttore di dimensioni nanometriche accoppiati incorporati in un circuito elettronico. Crediti: Pouse, W., Peeters, L., Hsueh, CL et al. Simulazione quantistica di un punto critico quantistico esotico in un circuito Kondo a carica a due siti. Naz. Fis. (2023)

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

Il dottor Andrew Mitchell è un fisico teorico presso l'University College di Dublino, ha conseguito un Laureate Award dall'Irish Research Council ed è il direttore dell'UCD Center for Quantum Engineering, Science, and Technology (C-QuEST). Credito: UCD Media: foto di Vincent Hoban

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale. This has enabled us to design specialized analog computers, called ‘Quantum Simulators,’ that solve specific models in quantum physics by leveraging the inherent quantum mechanical properties of its nanoscale components. While we have not yet been able to build an all-purpose programmable quantum computer with sufficient power to solve all of the open problems in physics, what we can now do is build bespoke analog devices with quantum components that can solve specific quantum physics problems."/p>

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"atom being simulated and behaves like an ‘artificial atom’. Just as different atoms of the same type in a material behave identically, so too must the different electronic components of the analog computer./p>