L'applicazione pratica dei computer quantistici nella ricerca scientifica quotidiana potrebbe essere più vicina di quanto si pensi. Un team di ricercatori presso Google Quantum AI ha dimostrato come il loro processore quantistico Willow possa essere utilizzato per elaborare dati provenienti dalla spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare, una tecnica fondamentale nei laboratori di chimica e biologia di tutto il mondo. Si tratta di un passo significativo verso l'integrazione di questi dispositivi ancora sperimentali negli strumenti di lavoro standard degli scienziati.
Il cuore dell'esperimento si basa su un protocollo computazionale chiamato Quantum Echoes, che sfrutta un principio simile all'effetto farfalla studiato nella teoria del caos. Così come il battito d'ali di una farfalla può teoricamente innescare una tempesta dall'altra parte del mondo, nel sistema quantistico di Willow una piccola perturbazione applicata a un singolo qubit può generare conseguenze osservabili nell'intero sistema composto da 103 qubit. I ricercatori hanno applicato una sequenza specifica di operazioni ai qubit, poi hanno perturbato un qubit selezionato che fungeva da "farfalla quantistica", infine hanno invertito temporalmente le operazioni come si riavvolge una videocassetta, analizzando i risultati finali per ottenere informazioni sull'intero sistema.
La Risonanza Magnetica Nucleare funziona in modo concettualmente analogo nei laboratori tradizionali: molecole reali vengono sollecitate con onde elettromagnetiche e la loro reazione viene analizzata per determinare le posizioni relative degli atomi, funzionando essenzialmente come un righello molecolare. Quando le manipolazioni dei qubit emulano questo processo, l'analisi matematica dei risultati quantistici può essere tradotta in dettagli sulla struttura molecolare. Tom O'Brien, membro del team di ricerca, sottolinea che questo approccio potrebbe permettere di vedere tra atomi più distanti tra loro: "Stiamo costruendo un righello molecolare più lungo", spiega.
I computer quantistici vengono spesso associati alla crittografia, in particolare alla loro potenziale capacità di violare sistemi di cifratura. Tuttavia, i dispositivi attuali sono ancora troppo piccoli e soggetti a errori per eseguire algoritmi di decrittazione. Un campo più promettente a breve termine è l'accelerazione delle procedure utilizzate nella scoperta di nuovi farmaci e materiali, processi che sono intrinsecamente quantistici per natura e quindi particolarmente adatti alle capacità di questi computer. Come sottolinea Hartmut Neven, leader del gruppo di ricerca, si tratta della capacità del computer quantistico di "parlare la stessa lingua della natura".
Le stime del team indicano che eseguire un protocollo simile a Quantum Echoes su un supercomputer convenzionale richiederebbe circa 13.000 volte più tempo. Un altro risultato significativo emerso dai test è che due diversi computer quantistici potrebbero eseguire Quantum Echoes e produrre gli stessi risultati, cosa che non accadeva con alcuni algoritmi quantistici promossi dal team in passato. O'Brien attribuisce questo progresso ai rapidi miglioramenti nella qualità hardware di Willow, in particolare alla riduzione dei tassi di errore dei qubit.
Nonostante i risultati incoraggianti, restano margini di miglioramento considerevoli. Quando i ricercatori hanno utilizzato Willow e Quantum Echoes per analizzare due molecole organiche, hanno impiegato al massimo 15 qubit alla volta e i risultati ottenuti potevano ancora essere replicati con metodi convenzionali non quantistici. In altre parole, il team non ha ancora dimostrato un vantaggio pratico inequivocabile di Willow rispetto alle controparti classiche. La dimostrazione di questa specifica applicazione di Quantum Echoes è attualmente preliminare e non è ancora stata sottoposta a un processo formale di revisione tra pari.
Keith Fratus di HQS Quantum Simulations, un'azienda tedesca specializzata nello sviluppo di algoritmi quantistici, riconosce l'importanza della questione della determinazione delle strutture molecolari. Secondo Fratus, creare una connessione tra una tecnica consolidata come la Risonanza Magnetica Nucleare e calcoli eseguiti su un computer quantistico rappresenta un passo importante, ma per il momento l'utilità della tecnica sarebbe probabilmente limitata a studi altamente specializzati in biologia.
Dries Sels della New York University osserva che l'esperimento del team utilizza un computer quantistico più grande e considera protocolli NMR e molecole più complessi rispetto a quanto modellato precedentemente su computer quantistici, inclusi i suoi stessi lavori. La simulazione quantistica viene spesso citata come uno dei principali casi d'uso prospettici per i computer quantistici, ma esistono notevolmente pochi esempi di casi interessanti dal punto di vista industriale. Sels ritiene che l'inferenza di modelli su dati spettroscopici come quelli NMR potrebbe rivelarsi utile, anche se ammette che non siamo ancora a quel punto, pur riconoscendo che lavori come questo forniscono motivazione per continuare a studiare il problema.
Secondo O'Brien, l'applicazione di Quantum Echoes alla Risonanza Magnetica Nucleare diventerà più utile man mano che il team continuerà a migliorare le prestazioni dei propri qubit. Minori saranno gli errori commessi, maggiore sarà il numero di qubit utilizzabili contemporaneamente nel protocollo, portando così in considerazione molecole sempre più grandi e complesse.
Curt von Keyserlingk del King's College di Londra adotta una posizione più cauta riguardo alle prospettive immediate della tecnologia. Pur riconoscendo che eseguire Quantum Echoes su Willow è sperimentalmente estremamente impressionante, sostiene che l'analisi matematica che abilita difficilmente troverà un'applicazione diffusa. Fino a quando non potrà definitivamente superare ciò che gli specialisti della Risonanza Magnetica Nucleare fanno già da decenni, il suo principale appeal sarà per i fisici teorici che si concentrano su studi fondamentali dei sistemi quantistici. Von Keyserlingk solleva inoltre dubbi sulla tenuta futura del protocollo, affermando di avere già idee su come l'informatica convenzionale potrebbe competere con esso. La ricerca del miglior utilizzo per i computer quantistici è certamente tutt'altro che conclusa.