I computer quantistici potrebbero rivelarsi più utili del previsto nel 2025

Nell’ultimo anno ho raccontato la stessa storia al mio editore: i computer quantistici sono sul punto di diventare utili per la scoperta scientifica.

Naturalmente, questo è sempre stato l’obiettivo. L’idea di utilizzare i computer quantistici per comprendere meglio il nostro universo fa parte della sua storia d’origine ed è anche raffigurata in 1981 Il discorso di Richard Feynman. Riflettendo sul modo migliore per simulare la natura, ha scritto: “Possiamo rinunciare alle nostre regole su cosa fosse un computer, possiamo dire: lasciamo che il computer sia costruito da elementi della meccanica quantistica che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica”.

Oggi, la visione di Feynman è stata realizzata da Google, IBM e dozzine di altre aziende e team accademici. I loro dispositivi vengono ora utilizzati per simulare la realtà a livello quantistico – ed ecco alcuni dei punti salienti.

Per me, gli sviluppi quantistici di quest’anno sono iniziati con due studi che sono arrivati ​​sulla mia scrivania a giugno, relativi alla fisica delle particelle ad alta energia. Due diversi gruppi di ricerca hanno utilizzato due computer quantistici molto diversi per simulare il comportamento di coppie di particelle nei campi quantistici. Uno utilizzava il chip Sycamore di Google, costituito da minuscoli circuiti superconduttori controllati da microonde, e l’altro utilizzava un chip prodotto dalla società di informatica quantistica QuEra, basato su atomi estremamente freddi controllati da laser e forze elettromagnetiche.

I campi quantistici rappresentano il modo in cui una forza, come la forza elettromagnetica, agirà su una particella in qualsiasi posizione nell’universo. Hanno anche una struttura locale che determina i comportamenti che dovresti vedere quando ingrandisci una particella. Tali campi sono difficili da simulare nel caso della dinamica delle particelle, quando la particella fa qualcosa nel tempo e vuoi farne qualcosa come un film. Due computer quantistici hanno affrontato esattamente questo compito, per due versioni notevolmente semplificate dei campi quantistici che compaiono nel Modello Standard della fisica delle particelle.

JD Halimeh All’Università di Monaco, che lavora in quest’area ma non è stato coinvolto in nessuno degli esperimenti, mi ha anche detto che una versione più muscolare di questi esperimenti, simulando campi più complessi su computer quantistici più grandi, potrebbe eventualmente aiutarci a capire cosa fanno le particelle all’interno dei collisori di particelle.

Tre mesi dopo ero al telefono con altri due team di ricercatori, ancora una volta a discutere degli stessi due tipi di computer quantistici, ora messi al servizio della fisica della materia condensata. La fisica della materia condensata mi sta a cuore da quando l’ho studiata alla scuola di specializzazione, ma la sua influenza si estende ben oltre le inclinazioni di questo editorialista. Ciò è stato particolarmente importante per lo sviluppo delle tecnologie dei semiconduttori che sono alla base dei dispositivi di uso quotidiano come gli smartphone.

A settembre, i ricercatori dell’Università di Harvard e dell’Università Tecnica di Monaco in Germania hanno utilizzato computer quantistici per simulare due fasi esotiche della materia che erano state previste teoricamente ma che erano sfuggite a esperimenti più convenzionali. I computer quantistici si sono dimostrati abili nel prevedere le proprietà di questi strani materiali, qualcosa che finora la coltivazione e l’esame dei cristalli in laboratorio non sono riusciti a realizzare.

Ottobre ha portato la possibilità di utilizzo pratico di un nuovo computer quantistico superconduttore di Google chiamato Willow. I ricercatori dell’azienda e i loro colleghi hanno utilizzato Willow per eseguire un algoritmo che può essere utilizzato per interpretare i dati della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), una tecnica comunemente usata per studiare le molecole nella ricerca biochimica.

Anche se la dimostrazione del team con dati NMR reali non ha fatto nulla che un computer convenzionale non potesse fare, la matematica dell’algoritmo promette di superare un giorno le capacità delle macchine classiche, consentendo ai ricercatori di apprendere dettagli senza precedenti sulle molecole. La velocità di recupero dipende dalla velocità con cui migliora l’hardware del calcolo quantistico.

Un mese dopo, un terzo tipo di computer quantistico si è unito alla conversazione. Una società chiamata Quantinum ha dimostrato che il loro computer quantistico Helios-1, fatto di ioni intrappolati, può eseguire simulazioni del modello matematico per una perfetta conduttività elettrica, o superconduttività. Poiché conducono l’elettricità senza perdite, i superconduttori potrebbero aprire la porta a un’elettronica altamente efficiente o addirittura rendere le reti elettriche più sostenibili. Tuttavia, tutti i superconduttori conosciuti funzionano solo a pressioni elevate o temperature estremamente basse, il che li rende poco pratici. Un modello matematico che spiega esattamente perché alcuni materiali superconduttori rappresenterebbe un passo importante verso la creazione di superconduttori utili.

Cosa ha simulato Helios-1? Henrik asciugatriceUn ricercatore di Quantum mi ha detto che è probabilmente il modello più importante di questo tipo; Che ha attirato l’attenzione dei fisici sin dagli anni ’60. E sebbene questa specifica simulazione non abbia fornito informazioni fondamentalmente nuove sulla superconduttività, ha comunque annunciato i computer quantistici come attori preziosi nella lunga ricerca dei fisici per comprenderli meglio.

Esattamente una settimana dopo, mi sono ritrovato su una chiamata Sabrina Maniscalco Algoritmi quantistici della ditta Algorithmic, che parlano di metamateriali. Si tratta di materiali i cui dettagli precisi possono essere progettati per avere proprietà speciali che i materiali naturali non hanno. Possono anche essere adattati per scopi specifici, che vanno dai rudimentali mantelli dell’invisibilità agli ingredienti chimici che possono accelerare le reazioni.

Anche i metamateriali sono qualcosa che ho imparato da studente laureato e su cui ha lavorato il team di Maniscalco come imitare qualcuno Utilizzando un computer quantistico IBM costituito da circuiti superconduttori. In particolare, possono monitorare il modo in cui un metamateriale elabora le informazioni, compresi i regimi in cui un computer più tradizionale potrebbe avere difficoltà. Anche se potrebbe sembrare un progetto astratto, Maniscalco mi ha detto che potrebbe far avanzare la ricerca sui catalizzatori chimici, sulle batterie allo stato solido e su alcuni dispositivi che convertono la luce in elettricità.

Come se la fisica delle particelle, le nuove fasi della materia, le sonde molecolari, i superconduttori e i metamateriali non bastassero, mentre stavo delineando questa rubrica mi è venuta una dritta su una ricerca Dove un team di ricercatori dell’Università del Maryland negli Stati Uniti e dell’Università di Waterloo in Canada ha utilizzato un computer quantistico a ioni intrappolati per determinare come si comportano le particelle legate dalla forza nucleare forte a diverse temperature e densità. Si ritiene che parte di questo comportamento avvenga all’interno delle stelle di neutroni, che sono oggetti cosmici poco conosciuti, e che si sia verificato anche nell’universo primordiale.

Sebbene i calcoli quantistici del team coinvolgano stime che non corrispondono ai modelli più realistici della forza forte, lo studio sostiene un’altra area della fisica in cui i computer quantistici stanno emergendo come macchine da scoperta.

Naturalmente, questa abbondanza di esempi comporta anche un’abbondanza di avvertenze e punti interrogativi. La maggior parte dei modelli matematici simulati su hardware quantistico richiedono un certo numero di semplificazioni e approssimazioni rispetto ai modelli più realistici, la maggior parte dei computer quantistici sono ancora così soggetti a errori che hanno bisogno di post-elaborare i risultati dei loro calcoli per ridurre o rimuovere tali errori, e la questione di confrontare i risultati dei computer quantistici con ciò che possono fare i migliori computer convenzionali rimane spinosa.

In parole povere, i metodi tradizionali di calcolo e simulazione sono un’altra area in cui i progressi sono stati rapidi ed entusiasmanti, portando i ricercatori di computer classici e quantistici in un dinamico avanti e indietro in cui il calcolo più complesso o più veloce di ieri diventa inevitabilmente il secondo classificato di domani. Il mese scorso, IBM ha anche collaborato con diverse altre società per lanciare un “”.monitoraggio dei profitti quantistici”, che alla fine diventerà una classifica che mostrerà dove i computer quantistici stanno superando le loro controparti tradizionali – oppure no.

Ma anche se i computer quantistici non raggiungeranno presto la cima di questa lista, lo scorso anno di reportage ha comunque spinto i miei predecessori verso entusiasmo e anticipazione. Questo perché questi esperimenti trasformano effettivamente i computer quantistici dall’essere oggetto di studio scientifico a diventare strumenti per fare scienza in un modo che era impossibile solo pochi anni fa.

All’inizio di quest’anno, mi aspettavo di scrivere principalmente sugli esperimenti di benchmarking in cui i computer quantistici eseguono protocolli che mettono in mostra la loro quanticità, piuttosto che risolvere eventuali problemi utili. Tali calcoli spesso servono a evidenziare quanto i computer quantistici siano diversi dai computer convenzionali e possono sottolineare il loro potenziale di fare cose fondamentalmente nuove. Ma il percorso da lì ai calcoli utili per un fisico che lavora sembrava lungo e per nulla chiaro. Ora, seppure con cautela, penso che la strada potrebbe essere più breve di quanto mi aspettassi. Sono sicuro che altre sorprese quantistiche mi aspettano nel 2026.