Nel mondo della fisica dei materiali, la ricerca sui superconduttori—materiali che trasportano corrente senza alcuna perdita—è una delle più affascinanti e promettenti. Finora, però, i superconduttori funzionano solo a temperature estremamente basse. Gli scienziati cercano una svolta da decenni: il segreto potrebbe trovarsi nascosto nel cosiddetto modello di Fermi-Hubbard, una teoria matematica che descrive come si comportano particelle chiamate fermioni all’interno dei materiali.
Ed è qui che entra in gioco la nuova generazione di computer quantistici. Il team della Quantinuum ha utilizzato Helios-1, un processore quantistico con 98 qubit (unità di informazione quantistica realizzate con ioni di bario), per simulare il funzionamento dei fermioni secondo il modello Fermi-Hubbard. Questi esperimenti sono risultati i più avanzati ottenuti finora su un computer quantistico e segnano un grande passo avanti: nessun altro computer quantistico aveva simulato il fenomeno dell’accoppiamento tra fermioni, fondamentale per la superconduttività.
Durante i test, il gruppo di ricerca ha manipolato i qubit con impulsi laser e campi elettromagnetici, riuscendo a osservare forme di accoppiamento simili a quelle trovate nei veri superconduttori. Anche se le simulazioni non sono ancora perfette e devono essere confrontate con quelle dei supercomputer tradizionali, molti fisici sono entusiasti di avere finalmente un nuovo strumento concreto per lo studio della materia condensata.
Perché è una svolta?
I computer quantistici come Helios-1 promettono di rivoluzionare la progettazione di nuovi materiali, permettendo simulazioni più precise di fenomeni dinamici impossibili da prevedere con i computer classici. In futuro, potremmo arrivare a progettare superconduttori che funzionano a temperatura ambiente, con vantaggi enormi per l’energia, i trasporti e la tecnologia.
Helios-1 rappresenta un passo avanti rispetto ai supercomputer tradizionali grazie alla sua natura quantistica e alle sue caratteristiche hardware specifiche. Ecco come e perché:
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Risolve problemi dinamici complessi:
I supercomputer classici sono molto potenti, ma incontrano enormi difficoltà quando devono simulare sistemi di molte particelle che cambiano rapidamente nel tempo, come accade nella materia condensata o nei materiali che cercano nuovi stati, ad esempio per la superconduttività. I quantum computer, sfruttando le regole della meccanica quantistica, riescono invece a gestire in modo efficiente la complessità di questi sistemi, anche quando si tratta di dinamiche “in tempo reale”. -
Manipolazione di molte particelle reali:
Helios-1 ha permesso per la prima volta di simulare direttamente l’accoppiamento tra 36 fermioni, cioè particelle che costituiscono i superconduttori reali, utilizzando proprio il modello di Fermi-Hubbard. Per simili dimensioni o per modelli dinamici, i supercomputer classici devono ricorrere a semplificazioni o approssimazioni che rischiano di non catturare i dettagli più importanti; Helios-1, invece, lavora con una rappresentazione fedele del sistema fisico. -
Affidabilità e robustezza dell’hardware:
Helios-1 utilizza 98 qubit realizzati con ioni di bario controllati da impulsi laser, garantendo stabilità e minor tasso di errore rispetto ad altri processori quantistici attualmente esistenti. Questo, unito alla capacità di collegare tra loro tanti qubit in modo entangled, permette simulazioni più accurate e affidabili. -
Versatilità per ricerca futura:
La capacità di mantenere la coerenza quantistica e di testare nuovi algoritmi fa di Helios-1 uno strumento sempre più competitivo anche per casi dove le simulazioni classiche richiederebbero giorni o settimane di calcolo. In diversi test già effettuati, Helios-1 ha risolto problemi pratici in poche ore laddove i supercomputer tradizionali richiedevano risorse enormi e risultati meno precisi.
In Definitiva, Helios-1 non sostituisce ancora i supercomputer per tutte le applicazioni, ma inizia già a superarli sulle simulazioni complesse dei materiali quantistici e nei calcoli “dinamici”, ponendo le basi per una nuova epoca della progettazione di materiali avanzati e della fisica applicata.
Fonte: New Scientist