La fisica delle particelle si confronta da decenni con uno dei suoi limiti più frustranti: le equazioni del Modello Standard, pur descrivendo perfettamente le interazioni fondamentali della materia, diventano matematicamente intrattabili quando si applicano a condizioni estreme come collisioni ad alta energia o materia ultradensa. Anche i supercomputer classici più potenti capitolano di fronte alla complessità di questi calcoli. Ora, per la prima volta, un gruppo di ricercatori ha dimostrato che i computer quantistici possono preparare gli stati iniziali necessari per simulare collisioni tra particelle simili a quelle generate negli acceleratori, aprendo una strada completamente nuova per studiare i fenomeni che governano l'universo ai suoi livelli più profondi.
Il risultato, ottenuto utilizzando l'hardware quantistico di IBM, rappresenta la più grande simulazione quantistica digitale mai completata nel campo della fisica nucleare, coinvolgendo più di 100 qubit. La sfida principale che il team ha affrontato riguardava proprio la fase preparatoria: prima di simulare qualsiasi processo fisico su un computer quantistico, è necessario inizializzare il sistema in uno stato quantistico specifico che rappresenti accuratamente le condizioni di partenza. Per sistemi complessi come le interazioni forti descritte dal Modello Standard, questo passaggio è tutt'altro che banale.
La strategia adottata dai ricercatori si è rivelata particolarmente ingegnosa. Hanno prima identificato le caratteristiche strutturali dei sistemi fisici in esame, concentrandosi su simmetrie e differenze nelle scale di lunghezza che caratterizzano le interazioni quantistiche. Queste proprietà hanno permesso di progettare circuiti quantistici scalabili capaci di preparare stati con correlazioni localizzate. Il team ha inizialmente validato questi circuiti su sistemi di dimensioni ridotte, utilizzando computer classici per verificare che gli stati risultanti potessero essere migliorati sistematicamente. Solo dopo questa fase di test hanno espanso i circuiti per gestire configurazioni molto più ampie.
L'implementazione pratica ha riguardato la simulazione di una versione unidimensionale dell'elettrodinamica quantistica, utilizzata per preparare sia lo stato di vuoto che fasci di adroni, le particelle composite formate da quark tenuti insieme dall'interazione forte. I ricercatori non si sono limitati alla preparazione degli stati iniziali: hanno anche simulato l'evoluzione temporale di impulsi adronici, tracciandone la propagazione. Questo dimostra che i computer quantistici possono gestire non solo la configurazione iniziale ma anche la dinamica completa di questi sistemi.
Le implicazioni scientifiche di questo progresso sono notevoli. Gli algoritmi quantistici scalabili sviluppati potrebbero fornire strumenti per affrontare alcune delle questioni più profonde e irrisolte della fisica moderna: lo squilibrio tra materia e antimateria nell'universo, i meccanismi di formazione degli elementi pesanti all'interno delle supernove, e il comportamento della materia a densità estreme come quelle che si trovano nelle stelle di neutroni. Questi fenomeni coinvolgono interazioni così complesse che le simulazioni classiche possono fornire solo approssimazioni limitate.
La ricerca ha beneficiato del supporto del Department of Energy Office of Science attraverso vari programmi dedicati alla scienza quantistica, tra cui l'InQubator for Quantum Simulation e il Quantum Science Center, un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica gestito dall'Università di Washington. Le risorse computazionali sono state fornite dall'Oak Ridge Leadership Computing Facility e dal sistema di supercalcolo Hyak, oltre naturalmente ai servizi IBM Quantum utilizzati per le simulazioni su larga scala.
La metodologia sviluppata non si limita alla fisica delle particelle: gli stessi principi potrebbero essere applicati allo studio di materiali esotici con proprietà quantistiche inusuali, ampliando ulteriormente il campo di applicazione. Il prossimo obiettivo è condurre simulazioni dinamiche complete di materia in condizioni estreme che restano inaccessibili ai computer classici, avvicinando la fisica teorica e quella sperimentale in domini fino ad oggi separati da barriere computazionali insormontabili. La transizione da simulazioni dimostrative a strumenti di ricerca predittivi rappresenta la frontiera immediata di questo campo emergente.