L’università di Trento al lavoro con i computer quantistici di Google. «È l’unica istituzione in tutta l’Unione europea»

La scienza ha sempre più fame di potenza di calcolo ed è alla ricerca di strumenti più performanti a cui dare in pasto i propri quesiti. La nuova frontiera è rappresentata dai computer quantistici, elaboratori che utilizzano le proprietà quantistiche della materia, come la sovrapposizione degli stati e l’entanglement, per effettuare operazioni molto complesse.

Un gruppo di ricerca coordinato dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento ha avuto l’opportunità di testare alcune ipotesi legate al confinamento nella teoria di gauge su reticolo ℤ2 utilizzando i super computer quantistici messi a disposizione dal Quantum Artificial Intelligence Lab di Google, in California. La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.

Le teorie di gauge descrivono le forze fondamentali nel modello standard della fisica delle particelle e svolgono un ruolo importante nella fisica della materia condensata. I costituenti delle teorie di gauge, ad esempio la materia carica e il campo di gauge elettrico, sono governati da vincoli locali che portano a fenomeni chiave ancora non completamente compresi. In questo contesto, i simulatori quantistici offrono soluzioni non ipotizzabili con i calcolatori tradizionali.

«Alla fine del 2019 – spiega Philipp Hauke, ordinario di Fisica teorica delle interazioni fondamentali a UniTrento e corresponding author della ricerca – Google ha lanciato una call per progetti che esplorassero le potenzialità dei computer quantistici. L’Università di Trento è risultata tra gli otto vincitori a livello globale, l’unica istituzione in tutta l’Unione europea».

Il gruppo guidato dal professor Hauke ha scelto di lavorare su un quesito che riguarda le particelle elementari, in particolare la teoria di gauge su reticolo, quella secondo cui lo spaziotempo continuo viene discretizzato con un reticolo tipicamente ipercubico di punti. La domanda riguardava le modalità con cui elettroni, positroni e, in prospettiva, quark e gluoni interagiscono per formare le particelle e la materia.

Il team ha quindi scritto un algoritmo che, da remoto, è stato inviato ai potentissimi elaboratori di Google. I super computer quantistici di Santa Barbara, utilizzando le proprietà quantistiche della materia possono descrivere in modo molto naturale gli oggetti quantistici, cosa che i classici “bit”, basati sull’opposizione binaria tra 1 e 2, non riescono a fare.

«Per dare un’idea delle potenzialità di questi elaboratori – prosegue Hauke – possiamo dire che gli strumenti classici, senza ulteriori approssimazioni, permettono di risolvere in modo esatto la dinamica di sistemi di massimo 40 particelle. I computer quantistici hanno la potenzialità per spingersi invece fino a un numero esponenzialmente maggiore. Per raggiungere questo obiettivo, però, occorre lavorare nell’interfaccia tra fisica fondamentale e ingegneria. La nostra ricerca si colloca lì».

Ma quali sono le prospettive di queste ricerche? Risponde Hauke: «Al momento, la nostra ricerca è interessante per la fisica teorica e sperimentale. In prospettiva, però, potrebbe avere applicazioni di vario tipo, ad esempio in ambito industriale per lo studio di nuovi materiali, o in ambito farmaceutico per quanto riguarda le composizioni chimiche».

L’articolo

I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics. L’articolo dal titolo “Confinement in ℤ2 lattice gauge theory on a quantum computer” è disponibile a questo link: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02723-6.

Gli autori dello studio sono Julius Mildenberger (Pitaevskii Bec Center, Cnr-Ino e Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, Trento Institute for Fundamental Physics and Applications), Wojciech Mruczkiewicz (Google Quantum Ai), Jad C. Halimeh (Pitaevskii Bec Center, Cnr-Ino e Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, Ludwig-Maximilians-Universität München e Munich Center for Quantum Science and Technology), Zhang Jiang (Google Quantum Ai) e Philipp Hauke (Pitaevskii Bec Center, Cnr-Ino e Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento, Trento Institute for Fundamental Physics and Applications).