Simulatori quantistici: centri di spin aprono nuove frontiere

I ricercatori della UC Riverside hanno sviluppato simulatori quantistici utilizzando centri di spin per studiare le fasi magnetiche, potenzialmente migliorando l’archiviazione delle informazioni e consentendo il calcolo quantistico a temperatura ambiente.

Simulatori quantistici a spin per il futuro

Il calcolo quantistico sfrutta i principi della meccanica quantistica per affrontare sfide complesse in vari campi, tra cui medicina e apprendimento automatico, che superano le capacità dei computer tradizionali. I simulatori quantistici, composti da unità quantistiche programmabili e interagenti, consentono agli scienziati di emulare intricati modelli del mondo fisico. Regolando queste interazioni e osservando il comportamento dei simulatori, i ricercatori possono ricavare informazioni su questi modelli e, indirettamente, sul mondo reale.

In un articolo pubblicato su Physical Review B e selezionato dalla rivista come suggerimento dei redattori, un team di ricerca guidato dall’Università della California a Riverside ha proposto una catena di oggetti magnetici quantistici, chiamati centri di spin, che, in presenza di un campo magnetico esterno, possono simulare quantisticamente una varietà di fasi magnetiche della materia, nonché le transizioni tra queste fasi.

Shan-Wen Tsai, professore di fisica e astronomia, che ha guidato il team di ricerca, ha dichiarato: “Stiamo progettando nuovi dispositivi che ospitano i centri di spin e possono essere utilizzati per simulare e apprendere interessanti fenomeni fisici che non possono essere studiati completamente con i computer classici. I centri di spin nei materiali allo stato solido sono oggetti quantici localizzati con un grande potenziale inutilizzato per la progettazione di nuovi simulatori quantici”.

Secondo Troy Losey, studente laureato di Tsai e primo autore dell’articolo, i progressi di questi dispositivi potrebbero consentire di studiare metodi più efficienti di archiviazione e trasferimento delle informazioni, sviluppando al contempo i metodi necessari per creare computer quantistici a temperatura ambiente.

Losey ha affermato: “Abbiamo molte idee su come apportare miglioramenti ai simulatori quantistici basati sui centri di spin rispetto a questo dispositivo iniziale proposto. Utilizzare queste nuove idee e considerare disposizioni più complesse dei centri di spin potrebbe aiutare a creare simulatori quantistici facili da costruire e utilizzare, pur essendo in grado di simulare una fisica nuova e significativa”.

Cosa sono i simulatori quantistici?

Un simulatore quantistico è un dispositivo che sfrutta i comportamenti insoliti della meccanica quantistica per simulare una fisica interessante che è troppo difficile da calcolare per un normale computer. A differenza dei computer quantistici che operano con qubit e operazioni di gate universali, i simulatori quantistici sono progettati individualmente per simulare/risolvere problemi specifici.

Barattando la programmabilità universale dei computer quantistici a favore dello sfruttamento della ricchezza di diverse interazioni quantistiche e disposizioni geometriche, i simulatori quantistici potrebbero essere più facili da implementare e fornire nuove applicazioni per i dispositivi.

Uno spin center è un oggetto magnetico quantistico delle dimensioni di un atomo che può essere posizionato in un cristallo. Può immagazzinare informazioni quantistiche, comunicare con altri spin center ed essere controllato con laser.

Simulatori quantistici a temperatura ambiente

Losey ha spiegato: “Possiamo costruire il simulatore quantistico proposto per simulare fasi magnetiche esotiche della materia e le transizioni di fase tra di esse. Queste transizioni di fase sono di grande interesse perché in queste transizioni i comportamenti di sistemi molto diversi diventano identici, il che implica che ci sono fenomeni fisici sottostanti che collegano questi sistemi diversi”.

Le tecniche utilizzate per costruire questo dispositivo possono essere utilizzate anche per i computer quantistici basati sui centri di spin, che sono i principali candidati per lo sviluppo di computer quantistici a temperatura ambiente, mentre la maggior parte di essi richiede temperature estremamente basse per funzionare. Inoltre, il nostro dispositivo presuppone che i centri di spin siano posizionati in linea retta, ma è possibile posizionare i centri di spin in disposizioni fino a 3 dimensioni. Questo potrebbe consentire lo studio di dispositivi di informazione basati sullo spin che sono più efficienti dei metodi attualmente utilizzati dai computer.

Poiché i simulatori quantistici sono più facili da costruire e utilizzare rispetto ai computer quantistici, attualmente possiamo utilizzarli per risolvere determinati problemi che i computer normali non sono in grado di affrontare, mentre aspettiamo che gli stessi diventino più raffinati. Tuttavia, questo non significa che i simulatori quantistici possano essere costruiti senza difficoltà, poiché i ricercatori si stanno solo avvicinando all’essere abbastanza bravi a manipolare i centri di spin, far crescere cristalli puri e lavorare a basse temperature per costruire il simulatore quantistico proposto.