Dopotutto, gli usi pionieristici dei computer quantistici potrebbero non richiederli

Con l’avanzare dei computer quantistici, l’identificazione dei problemi che possono risolvere più velocemente dei migliori computer convenzionali del mondo sta diventando sempre più importante, ma si scopre che un compito chiave considerato un obiettivo futuro dai sostenitori della tecnologia quantistica potrebbe non aver bisogno dei computer quantistici.

Il lavoro in questione coinvolge una molecola chiamata FemO, che svolge un ruolo chiave nel rendere possibile la vita sulla Terra. Questo perché fa parte del processo di fissazione dell’azoto, in cui i microrganismi convertono l’azoto atmosferico in ammoniaca, rendendolo biologicamente accessibile alla maggior parte degli altri organismi viventi. Il modo in cui Femco funziona effettivamente durante questo processo è complesso e non del tutto compreso, ma se potessimo scomporlo e replicarlo su scala industriale, potrebbe ridurre drasticamente l’energia coinvolta nella produzione di fertilizzanti, aumentando potenzialmente i raccolti.

Un aspetto chiave per comprendere FEMCO è determinare la sua energia più bassa, o “stato fondamentale”, che implica tenere conto del comportamento dei suoi numerosi elettroni. Ma gli elettroni sono particelle quantistiche che possono comportarsi come onde e occupare molte regioni diverse chiamate orbitali. Questo livello di complessità – con più elettroni in più orbitali – è il motivo per cui il calcolo di molte delle proprietà di FeMoco è stato, fino ad ora, difficile con i computer convenzionali.

I ricercatori hanno ottenuto qualche successo utilizzando metodi di approssimazione, ma l’accuratezza delle loro stime energetiche rimane limitata. D’altro canto, le indagini matematiche hanno dimostrato in modo convincente che i computer quantistici, che codificano questa complessità in un modo fondamentalmente diverso, possono risolvere il problema senza alcuna ipotesi – un esempio ormai consolidato del cosiddetto vantaggio quantistico.

Ma ora, Granato Kin-Lik Chan Lui e i suoi colleghi del California Institute of Technology hanno trovato un metodo di calcolo classico che sembra in grado di raggiungere una precisione di tipo quantistico. La metrica principale è stata l’idea di “accuratezza chimica” o l’accuratezza minima richiesta per fare previsioni realistiche per i processi chimici. Sulla base dei loro calcoli, Chan e i suoi colleghi sostengono che i supercomputer convenzionali possono calcolare l’energia dello stato fondamentale del FEMCO con la stessa precisione.

FEMCO ha molti stati quantistici, ciascuno con la propria energia, e sono disposti su qualcosa come una scala, con lo stato fondamentale in basso. Per rendere più conveniente per gli algoritmi informatici classici raggiungere i gradini più bassi, i ricercatori si sono concentrati su ciò che sappiamo degli stati che si trovano vicino ai gradini e su cosa indicano le loro proprietà su ciò che potrebbe esistere uno o due gradini più in basso. Ciò include, ad esempio, approfondimenti sulla simmetria degli stati quantistici degli elettroni.

Alla fine, la semplificazione ha consentito ai ricercatori di utilizzare algoritmi classici per calcolare i limiti superiori per l’energia dello stato fondamentale di FEMCO, quindi estrapolarli matematicamente in un valore energetico con un’incertezza corrispondente all’accuratezza chimica. In altre parole, la loro risposta finale su quale potrebbe essere l’energia minima della molecola deve essere sufficientemente accurata da poter essere utilizzata in studi futuri.

I ricercatori hanno anche stimato che il metodo del supercomputer potrebbe essere ancora più veloce di quello quantistico, eseguendo calcoli in meno di un minuto che richiederebbero 8 ore su un dispositivo quantistico, anche se questa stima presuppone prestazioni ideali del supercomputer.

Quindi, questo significa che presto avremo una migliore comprensione di Famoko per promuovere l’agricoltura? Niente affatto: ci sono ancora molte domande senza risposta, ad esempio, quali parti della molecola interagiscono maggiormente con l’azoto o quali molecole potrebbero presentarsi come fasi intermedie nel processo di fissazione dell’azoto.

“Il lavoro in realtà non ci dice molto sul sistema FEMCO in termini di funzione, ma come modello per mostrare il vantaggio quantistico, stabilisce un livello ancora più alto per gli approcci quantistici”, afferma David Reichmann alla Columbia University di New York.

Domenico Bacca della Macquarie University di Sydney, in Australia, spiega che il lavoro del team mostra che mentre i computer classici possono affrontare il problema FEMCO, sono ancora in grado solo di fare supposizioni, mentre i metodi quantistici garantiscono che il problema può essere risolto completamente.

“Ciò mette in discussione la logica dell’utilizzo dei computer quantistici per problemi come questo, ma per sistemi più complessi, si prevede che i tempi di calcolo per i metodi classici cresceranno molto più velocemente che per gli algoritmi quantistici”, afferma.

Un altro problema è che i computer quantistici sono ancora in fase di miglioramento. I computer quantistici esistenti sono troppo piccoli e soggetti a errori per gestire problemi come l’energia dello stato fondamentale del FeMoCO, ma presto si prevede una nuova generazione di computer quantistici tolleranti ai guasti, in grado di correggere i propri errori. In termini pratici, potrebbero ancora essere il modo migliore per comprendere FEMCO e le molecole correlate, afferma Berry. “L’informatica quantistica dovrebbe consentire di risolvere questi sistemi in modo più generale, rendendoli un calcolo di routine quando saranno disponibili computer quantistici tolleranti ai guasti.”