La comprensione della superconduttività ad alta temperatura rappresenta da decenni una delle sfide più affascinanti della fisica della materia condensata, con potenziali ricadute rivoluzionarie nel trasporto di energia elettrica senza dispersioni. Un recente esperimento condotto dall'azienda Quantinuum potrebbe segnare una svolta nell'approccio a questo problema millenario: per la prima volta, un computer quantistico ha simulato con successo processi dinamici legati alla formazione di coppie di fermioni, il fenomeno alla base della superconduttività, utilizzando il modello matematico di Fermi-Hubbard su una scala senza precedenti per dispositivi quantistici.
Il modello di Fermi-Hubbard, sviluppato negli anni Sessanta del secolo scorso, costituisce uno strumento teorico fondamentale per descrivere il comportamento degli elettroni nei materiali solidi e, in particolare, per comprendere i meccanismi che portano alla superconduttività. Come sottolinea Henrik Dreyer di Quantinuum, si tratta di uno dei framework matematici più importanti dell'intera fisica della materia condensata. Tuttavia, la sua simulazione su computer tradizionali incontra limiti insormontabili quando si tratta di sistemi di grandi dimensioni o di processi che evolvono nel tempo, proprio quelli più rilevanti per comprendere i superconduttori reali.
Il team di ricerca ha utilizzato Helios-1, un processore quantistico dotato di 98 qubit realizzati con ioni di bario, ciascuno controllato attraverso laser e campi elettromagnetici. La particolarità dell'esperimento risiede nella simulazione di 36 fermioni, esattamente il tipo di particelle presenti nei superconduttori reali. I ricercatori hanno manipolato i qubit attraverso una sequenza programmata di stati quantistici, per poi misurarne le proprietà finali e ricostruire il comportamento del sistema simulato.
La simulazione ha riprodotto uno scenario sperimentale ben noto agli studiosi di superconduttività: l'irraggiamento di un materiale con un impulso laser può innescare l'accoppiamento di fermioni, il processo chiave che consente la conduzione elettrica senza resistenza. Dopo aver colpito i qubit con un impulso laser simulato, il team ha misurato gli stati risultanti, individuando chiari segnali di formazione di coppie tra le particelle simulate. Sebbene la simulazione non replichi perfettamente gli esperimenti reali, essa cattura processi dinamici che risultano estremamente difficili da modellare con metodi computazionali classici quando coinvolgono più di poche particelle.
La questione del vantaggio quantistico rispetto ai supercomputer tradizionali rimane tuttavia aperta e oggetto di dibattito nella comunità scientifica. Dreyer riconosce che l'esperimento non costituisce una dimostrazione rigorosa della superiorità di Helios-1 rispetto a ogni possibile approccio computazionale classico, ma le stime del team suggeriscono che i tempi di calcolo necessari ai computer tradizionali sarebbero così lunghi da risultare impraticabili. Questa affermazione necessita però di verifiche indipendenti, come sottolinea Eduardo Ibarra García Padilla dell'Harvey Mudd College in California, che ritiene i risultati promettenti ma bisognosi di confronti rigorosi con simulazioni classiche allo stato dell'arte.
Il successo dell'esperimento viene attribuito alle caratteristiche tecniche di Helios-1. Secondo David Hayes, anch'egli di Quantinuum, i qubit del processore mostrano un'affidabilità eccezionale nei test di benchmarking standard dell'industria quantistica. In prove preliminari, il sistema ha dimostrato di poter sostenere esperimenti con qubit resistenti agli errori, creando un entanglement quantistico tra 94 qubit, un record assoluto tra tutti i computer quantistici esistenti. L'impiego di questi qubit protetti dagli errori nelle future simulazioni potrebbe migliorarne significativamente l'accuratezza.
Steve White dell'Università della California a Irvine adotta una posizione equilibrata sulla portata della scoperta. Secondo il ricercatore, permangono diverse sfide tecniche da risolvere, tra cui la necessità di inizializzare il computer quantistico con proprietà dei qubit estremamente precise. Tuttavia, White riconosce che le simulazioni quantistiche potrebbero diventare complementari a quelle classiche, specialmente per studiare comportamenti dinamici nei materiali. La sua valutazione finale è cauta ma ottimista: i computer quantistici sono sulla strada per diventare strumenti utili nella fisica della materia condensata, ma si trovano ancora nelle fasi iniziali e dovranno superare barriere computazionali significative.
