Prima simulazione del tunneling quantistico su un computer quantistico

Lo sfruttamento della stranezza quantistica per l'informatica è uno dei grandi obiettivi della fisica moderna. La sua promessa è drammatica per una vasta gamma di attività di elaborazione dei numeri.

Ma i computer quantistici hanno un altro asso nella manica che a volte viene dimenticato: la capacità di simulare altri sistemi quantistici. I fisici hanno già mostrato come i computer quantistici di vario tipo possono simulare fenomeni come le transizioni di fase quantistiche e la dinamica dell'entanglement, cose che i computer classici semplicemente non possono gestire.

C'è un fenomeno quantistico, tuttavia, che non è mai stato simulato: il tunneling. Questa è la capacità delle particelle quantistiche di attraversare una barriera senza sembrare di averla attraversata.

Non c'è alcun motivo in linea di principio per cui i computer quantistici non possano simulare il tunneling. Il problema è la complessità del compito.

Le simulazioni eseguite finora hanno coinvolto tutti i cosiddetti processi analogici che sono relativamente semplici. L'idea qui è che la descrizione matematica di un sistema, la sua hamiltoniana, è esattamente riprodotta in un altro sistema.

Quindi guardare un sistema ti dice esattamente come si comporterebbe l'altro. Questo è noto come simulazione di particelle quantistiche analogiche e funziona bene a condizione che tu possa trovare sistemi che corrispondono nel modo richiesto. Guardare le transizioni di fase quantistiche è un buon esempio perché molti sistemi condividono la stessa descrizione matematica.

Per problemi più complessi, i fisici hanno recentemente pensato a un altro approccio. L'idea qui è di spezzare il sistema matematico in diverse parti e simularle separatamente. Questo è noto come simulazione digitale di particelle quantistiche e ha un enorme potenziale per eventi che coinvolgono più di un oggetto, come la chimica quantistica e il tunneling.

Il problema è l'assoluta complessità di questi calcoli, che richiedono numerose porte logiche quantistiche che elaborano dozzine di qubit. Questo è sempre andato oltre lo stato dell'arte per l'informatica quantistica.

All'inizio di quest'anno, tuttavia, Andrew Sornborger dell'Università della Georgia ad Atene ha mostrato come il caso di una singola particella che attraversa un tunnel attraverso una barriera potrebbe essere reso abbastanza semplice da simulare sui computer quantistici di oggi. Tale dimostrazione sarebbe il primo esempio di simulazione quantistica digitale.

E oggi Guan Ru Feng e compagni della Tsinghua University di Pechino dicono di averlo fatto. Per simulare il tunneling, questi ragazzi hanno utilizzato un computer quantistico che si basa sulla risonanza magnetica nucleare per manipolare i qubit codificati negli atomi di carbonio e idrogeno che compongono le molecole di cloroformio. Dicono che questa sia la prima dimostrazione di una simulazione di tunneling quantistico utilizzando un computer quantistico NMR.

Ciò dovrebbe aprire le porte a ulteriori simulazioni quantistiche digitali in futuro. È significativo perché questo approccio ha il potenziale per simulare fenomeni quantistici molto più complessi di quanto sia attualmente possibile. Aspettati di vederne di più.

Rif: arxiv.org/abs/1205.2421 : Simulazione digitale sperimentale del tunneling quantistico in un simulatore quantistico NMR

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