Helios-1: nuovo computer quantistico sulla buona strada per scoprire la superconduttività

I ricercatori della società di informatica quantistica Quantumum hanno utilizzato un nuovo computer quantistico Helios-1 per simulare un modello matematico utilizzato da tempo per studiare la superconduttività. Queste simulazioni non sono fuori dalla portata dei computer convenzionali, ma questo progresso pone le basi affinché i computer quantistici diventino strumenti utili per la scienza dei materiali.

I superconduttori conducono l’elettricità con perfetta efficienza, ma funzionano solo a temperature troppo basse per essere pratici al momento. Per decenni, i fisici hanno cercato di capire come alterare la loro struttura per farli funzionare a temperatura ambiente, e molti credono che le risposte arriveranno da un quadro matematico chiamato modello di Fermi-Hubbard. Quantum afferma che questa capacità lo rende uno dei modelli più importanti in tutta la fisica della materia condensata Heinrich Dreyer,

I computer convenzionali possono eseguire simulazioni straordinarie del modello Fermi-Hubbard, ma hanno difficoltà con campioni molto grandi o casi in cui i materiali che descrivono cambiano nel tempo. I computer quantistici alla fine hanno la possibilità di funzionare meglio. Ora, Dreier e i suoi colleghi hanno eseguito la più grande simulazione del modello di Fermi-Hubbard mai realizzata finora su un computer quantistico.

Hanno usato Helios-1, che ha 98 qubit fatti di ioni di bario, ognuno dei quali è controllato con laser e campi elettromagnetici. Per eseguire una simulazione, i ricercatori hanno manipolato i qubit attraverso una sequenza di stati quantistici, quindi hanno letto l’output misurando le loro proprietà. Le loro simulazioni includevano 36 particelle chiamate fermioni, che sono esattamente lo stesso tipo di particelle che esistono nei superconduttori reali e sono descritte matematicamente dal modello di Fermi-Hubbard.

Perché un superconduttore funzioni, i fermioni devono accoppiarsi e gli esperimenti hanno dimostrato che tale accoppiamento a volte può essere avviato colpendo un materiale con un laser. Il team di Quantum ha simulato questo scenario: ha colpito i propri qubit con impulsi laser, quindi ha misurato gli stati risultanti, trovando segni dell’accoppiamento simulato delle particelle. La simulazione non ha imitato esattamente gli esperimenti, ma ha catturato un processo dinamico che è difficile per i metodi informatici tradizionali quando applicati a più di poche particelle.

Dreyer afferma che il nuovo esperimento non costituisce una prova evidente del fatto che Helios-1 abbia un vantaggio rispetto a ogni possibile approccio informatico tradizionale, ma la scoperta dei metodi di simulazione classici ha convinto il suo team che un computer quantistico potrebbe competere. “Era impossibile ottenere gli stessi risultati in modo affidabile con i metodi che abbiamo provato, abbiamo osservato un computer quantistico per alcune ore e c’era un grosso punto interrogativo sul lato classico delle cose”, afferma. In altre parole, le stime del team sui tempi di calcolo classici erano così lunghe che era difficile dire quando sarebbero state confrontate con il lavoro di Helios.

Altri computer quantistici non hanno ancora affrontato la simulazione dell’accoppiamento dei fermioni per raggiungere la superconduttività, e il team attribuisce il successo all’hardware di Helios. David HayesAnche in Quantumum, afferma che i qubit di Helios sono eccezionalmente affidabili ed eccellono nelle attività di benchmarking comuni nel settore dell’informatica quantistica. Nei test preliminari, può anche portare avanti esperimenti con qubit a prova di errore, inclusa la connessione di 94 di questi qubit speciali attraverso l’entanglement quantistico, un record tra tutti i computer quantistici. L’utilizzo di tali qubit nelle simulazioni future potrebbe renderle più accurate.

Eduardo Ibarra García Padilla L’Harvey Mudd College in California afferma che i nuovi risultati sono promettenti, ma devono ancora essere attentamente confrontati con le simulazioni computerizzate classiche all’avanguardia. Dice che il modello di Fermi-Hubbard ha suscitato grande interesse tra i fisici sin dagli anni ’60, quindi è entusiasmante avere un nuovo strumento per studiarlo.

Nessuno sa esattamente quando gli approcci utilizzati con Helios-1 diventeranno veri concorrenti dei migliori computer convenzionali, poiché molti altri dettagli devono essere chiariti, ad esempio steve bianco Università della California, Irvine. Ad esempio, afferma che ci sono sfide nel garantire che le simulazioni dei computer quantistici inizino con l’insieme corretto di proprietà dei qubit. Tuttavia, White afferma che le simulazioni quantistiche possono integrare quelle classiche, in particolare per il comportamento dinamico o mutevole dei materiali.

“Stanno sulla buona strada per diventare utili strumenti di simulazione nella materia condensata[fisica]”, afferma. “Ma sono ancora nelle fasi iniziali, con ostacoli computazionali ancora da superare”.

Riferimento: arXivDOI: 10.48550/arXiv.2511.02125