I computer quantistici sono già realtà. Governati dalle controintuitive leggi fisiche che descrivono il mondo microscopico, questi moderni processori promettono di realizzare nuovi paradigmi di calcolo e di raggiungere capacità computazionali impensabili anche per i più moderni supercomputer. Se fino a poco tempo fa tali dispositivi non oltrepassavano i confini dei laboratori di ricerca, oggi esistono prototipi accessibili per simulazioni in cloud, talvolta a libera disposizione di scienziati e curiosi. Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pavia coordinato dal Prof. Dario Gerace, e composto dagli studenti di dottorato Francesco Tacchino e Michele Grossi (quest’ultimo nell’ambito della convenzione PhD Executive tra l’Ateneo pavese e IBM Italia), ha recentemente preso parte a un esperimento che segna un importante passo avanti nella corsa alle prime applicazioni di rilevanza scientifica per questi primi prototipi di computer quantistici.
In collaborazione con team dell’Università di Parma (Proff. S. Carretta e P. Santini, Dott. A. Chiesa) e del centro di ricerca IBM di Zurigo (Dott. Ivano Tavernelli), gli autori pavesi di questa importante ricerca hanno messo a punto un algoritmo quantistico di simulazione che ricostruisce i risultati di esperimenti di scattering neutronico con cui studiare complessi sistemi magnetici molecolari.
Il problema rappresenta una sfida numerica significativa per qualunque processore classico e, su grandi scale, è di fatto impossibile da risolvere anche con le risorse dei maggiori centri di calcolo.
I ricercatori hanno utilizzato con successo i prototipi a 5, 16 e 20 bit quantistici messi a punto da IBM Research, programmandoli in remoto tramite il software Qiskit e la IBM Quantum Experience per realizzare la simulazione di alcuni paradigmatici modelli di molecole magnetiche. Una procedura di mitigazione degli errori, sviluppata in modo originale, ha permesso di ottenere risultati di qualità eccellente e in ottimo accordo con le previsioni, garantendo la pubblicazione del lavoro sulla prestigiosa rivista Nature Physics (https://www.nature.com/articles/s41567-019-0437-4).
Sebbene i processori disponibili attualmente siano ancora a uno stadio intermedio di sviluppo, importanti innovazioni, inclusa la dimostrazione di un effettivo quantum advantage, sono attese nell’immediato futuro. Algoritmi come quello presentato in questo lavoro potranno allora beneficiare a pieno delle possibilità esponenziali offerte dai computer quantistici: le applicazioni includono studi avanzati in fisica fondamentale e soluzioni di interesse industriale in campi come la chimica farmaceutica, la finanza e l’intelligenza artificiale.
