I fisici dell’EPFL hanno proposto un nuovo “simulatore quantistico“: un dispositivo basato su laser che può essere utilizzato per studiare una vasta gamma di sistemi quantistici. Studiandolo, i ricercatori hanno scoperto che i fotoni possono comportarsi come dipoli magnetici a temperature prossime allo zero assoluto, seguendo le leggi della meccanica quantistica. Il semplice simulatore può essere utilizzato per comprendere meglio le proprietà di materiali complessi in condizioni così estreme.
Quando sono soggetti alle leggi della meccanica quantistica, i sistemi composti da molte particelle interagenti possono mostrare un comportamento così complesso che la sua descrizione quantitativa sfida le capacità dei computer più potenti del mondo. Nel 1981, il fisico visionario Richard Feynman sostenne che possiamo simulare un comportamento così complesso usando un apparato artificiale governato dalle stesse leggi quantistiche, quello che è diventato noto come un “simulatore quantistico“.
Un esempio di un sistema quantistico complesso è quello dei magneti posti a temperature veramente basse. Vicino allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), i materiali magnetici possono subire quella che è nota come una “transizione di fase quantistica“. Come in una transizione di fase convenzionale (ad esempio la fusione del ghiaccio in acqua o l’evaporazione dell’acqua in vapore), il sistema passa ancora tra due stati, tranne che vicino al punto di transizione il sistema manifesta entanglement quantistico, la caratteristica più profonda prevista dalla meccanica quantistica. Studiare questo fenomeno in materiali reali è un compito incredibilmente difficile per i fisici sperimentali .
Ma i fisici guidati da Vincenzo Savona all’EPFL hanno ora messo a punto un simulatore quantistico che promette di risolvere il problema. “Il simulatore è un semplice dispositivo fotonico che può essere facilmente costruito e gestito con le attuali tecniche sperimentali“, ha affermato Riccardo Rota, il postdoc del laboratorio di Savona che ha guidato lo studio. “Ma soprattutto, può simulare il comportamento complesso di magneti reali che interagiscono a temperature molto basse.”
Il simulatore può essere costruito utilizzando circuiti superconduttori, la stessa piattaforma tecnologica utilizzata nei moderni computer quantistici. I circuiti sono accoppiati ai campi laser in modo tale da provocare un’efficace interazione tra le particelle luminose (i fotoni). “Quando abbiamo studiato il simulatore, abbiamo scoperto che i fotoni si comportavano allo stesso modo dei dipoli magnetici attraverso la transizione della fase quantistica nei materiali reali“, ha spiegato Rota. In breve, ora possiamo usare i fotoni per eseguire un esperimento virtuale sui magneti quantici invece di dover impostare l’esperimento stesso.
“Siamo teorici“, ha detto Savona. “Abbiamo ideato questo particolare simulatore quantistico e ne abbiamo modellato il comportamento usando simulazioni computerizzate tradizionali, che possono essere eseguite quando il simulatore quantistico si rivolge a un sistema abbastanza piccolo. I nostri risultati dimostrano che il simulatore quantistico che proponiamo è fattibile, e noi siamo ora in trattative con gruppi sperimentali che vorrebbero davvero costruirlo e usarlo“.
Comprensibilmente, Rota è entusiasta: “Il nostro simulatore può essere applicato a una vasta classe di sistemi quantici, consentendo ai fisici di studiare diversi fenomeni quantistici complessi. È un progresso davvero notevole nello sviluppo delle tecnologie quantistiche.”
