Nel mondo della fisica quantistica, dove particelle microscopiche possono interagire simultaneamente in trilioni di configurazioni diverse, i ricercatori si sono sempre trovati di fronte a un paradosso computazionale. Mentre i sistemi quantistici reali richiedono simulazioni estremamente complesse, spesso necessitando di supercomputer o algoritmi di intelligenza artificiale, la maggior parte di questi problemi potrebbe teoricamente essere risolta con strumenti molto più accessibili. Un team di fisici dell'Università di Buffalo ha trasformato questa possibilità teorica in una realtà pratica, sviluppando un metodo che promette di democratizzare la simulazione quantistica.
La rivoluzione dell'approssimazione di Wigner troncata
Il cuore dell'innovazione risiede nell'estensione della truncated Wigner approximation (TWA), una tecnica computazionale che semplifica drasticamente i calcoli quantistici senza perdere accuratezza significativa. Questa metodologia, che affonda le radici negli anni '70, rappresenta un approccio semiclassico che mantiene solo gli elementi quantistici essenziali, scartando dettagli superflui che hanno poco impatto sui risultati finali.
Jamir Marino, professore assistente di fisica e autore principale dello studio pubblicato su PRX Quantum, spiega come il loro approccio offra "un costo computazionale significativamente inferiore e una formulazione molto più semplice delle equazioni dinamiche". La ricerca, condotta mentre Marino lavorava presso l'Università Johannes Gutenberg di Mainz in Germania, rappresenta un salto qualitativo nell'accessibilità della simulazione quantistica.
Dai sistemi idealizzati alla realtà fisica
Il limite principale della TWA tradizionale consisteva nella sua applicabilità esclusiva a sistemi quantistici isolati e idealizzati, dove non si verificano perdite o guadagni di energia. Il team di Marino ha superato questa limitazione estendendo la metodologia ai sistemi dissipativi, quelli cioè che caratterizzano il mondo reale, dove le particelle subiscono continuamente l'influenza di forze esterne e perdono energia nell'ambiente circostante.
L'innovazione non risiede solo nell'estensione teorica, ma anche nella praticità d'uso. In passato, i ricercatori dovevano riderivare matematicamente il metodo da zero per ogni nuovo problema quantistico, affrontando pagine di calcoli densi e quasi impenetrabili. Il nuovo approccio trasforma questa complessità in una tabella di conversione diretta che traduce automaticamente un problema quantistico in equazioni risolvibili.
Un template universale per la fisica quantistica
Oksana Chelpanova, co-autrice dello studio e attualmente ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Marino, evidenzia la rapidità di apprendimento del nuovo metodo: "I fisici possono essenzialmente imparare questa tecnica in un giorno, e verso il terzo giorno stanno già elaborando alcuni dei problemi più complessi presentati nel nostro studio". Questa accessibilità rappresenta un cambio di paradigma nella simulazione quantistica.
L'obiettivo del team è quello di riservare le risorse dei supercomputer e i modelli di intelligenza artificiale esclusivamente per i sistemi quantistici veramente complessi, quelli che non possono essere risolti con approcci semiclassici e che presentano più stati possibili degli atomi presenti nell'universo. Per tutti gli altri casi, il nuovo metodo offre una soluzione rapida ed efficiente su computer di uso comune.
Verso una democratizzazione della simulazione quantistica
La ricerca, sviluppata in collaborazione con Hossein Hosseinabadi, rappresenta un passo significativo verso la democratizzazione degli strumenti di simulazione quantistica. Marino sottolinea come "nel prossimo futuro, questo metodo potrebbe diventare lo strumento primario per esplorare questo tipo di dinamiche quantistiche su computer di livello consumer".
L'approccio sviluppato dal team di Buffalo non solo riduce drasticamente i costi computazionali, ma offre anche un framework pratico e user-friendly che permette ai fisici di inserire il loro problema specifico e ottenere risultati utilizzabili nel giro di poche ore. Questa trasformazione potrebbe accelerare significativamente la ricerca in fisica quantistica, rendendo accessibili simulazioni complesse a laboratori e istituzioni che non dispongono di risorse computazionali massive.